در نهایت، دوربین های تک فوتونی می توانند به مغز شما نگاه کنند

دوربین‌های مبتنی بر ابررسانا که می‌توانند یک فوتون – کوچک‌ترین ذره نور – را شناسایی کنند، 20 سال است که وجود دارند، اما به دلیل عدم توانایی در اندازه‌گیری آن‌ها از چند پی،ل، در آزمایشگاه‌ها محصور شده‌اند. در حال حاضر، یک تیم در موسسه ی ملی استانداردها و تکنولوژی (NIST) در Boulder، Colo.، یک دوربین تک فوتون 0.4 مگاپی،لی ایجاد کرده است که 400 برابر بزرگتر از بزرگترین دوربین قبلی در نوع خود است. نتایج خود را در گزارش ،د پیش چاپی که آنها به arXiv ارسال ،د در 15 ژوئن

دوربین‌های تک فوتون، ساخته شده از نانوسیم‌های ابررسانا، نور را با حساسیت و سرعت بی‌نظیر و در محدوده فرکانسی بی‌نظیر اندازه‌گیری می‌کنند. با جهش در اندازه، دوربین تک فوتون آماده انتقال از یک کنجکاوی آزمایشگاهی به یک فناوری صنعتی است. چنین دوربین‌هایی می‌توانند خانه‌ای بیابند که از کیهان در تلسکوپ بعدی جیمز وب، نور را در رایانه‌های کوانتومی فوتونیک و ارتباطات اندازه‌گیری می‌کند و به مغز نگاه می‌کند. تکنیک های غیر تهاجمی مبتنی بر نور.

از دیدگاه علمی، این قطعا راه جدیدی را در تصویربرداری نوری مغز باز می کند استفان کپور، دانشیار رادیولوژی در دانشکده پزشکی هاروارد که در این کار دخالتی نداشت. روش‌های دیگر برای نقشه‌برداری نوری جریان مغز قشر مغز ممکن است هزینه‌های کمتری داشته باشند، اما همگی دارای کاستی‌هایی هستند که بر کیفیت سیگنال تأثیر می‌گذارند که اغلب به پردازش سیگنال پیچیده نیاز دارند. هیچ سازشی با نانوسیم ها از منظر عملکرد وجود ندارد.

آشکارسازهای نانوسیم ابررسانا می‌توانند تقریباً هر فوتون را ضبط کنند، در فرکانس‌های مرئی، فرابنفش و مادون قرمز کار کنند و نتایج را در پیکوث،ه‌های صرف برای تشخیص نرخ فریم بالا نشان دهند. حساسیت آشکارسازها از این واقعیت ناشی می شود که جریان الکتریکی به اندازه کافی بالا که از یک ابررسانا عبور می کند، خواص ابررسانایی آن را از بین می برد. هر پی،ل دوربین یک سیم ابررسانا با جری، است که درست زیر آستانه آن تنظیم شده است، به طوری که برخورد یک فوتون با سیم، ابررسانایی آن را می شکند. ش،تگی منجر به افزایش مقاومت در سراسر سیم می شود که تقریباً بلافاصله قابل تشخیص است.

راز افزایش مقیاس دوربین های تک فوتونی

عملکرد یک پی،ل منفرد فوق العاده است، اما قرار دادن بسیاری از آنها در یک تراشه به یکدیگر یک چالش طول، مدت بوده است. برای دستیابی به ابررسانایی، دستگاه باید تا دمای برودتی خنک شود و سیم‌کشی بسیاری از پی،ل‌ها به سیستم خنک‌کننده ممنوع است. می‌گوید: «مطمئناً نمی‌توانم یک میلیون سیم را در کرایواستات خود قرار دهم آدام مک کاون، یک فیزیکدان کارمند در NIST که این تلاش را رهبری کرد. “این یک مقدار مهندسی زشت است که اتفاق بیفتد، خیلی کمتر آن را بخو،د.”

برای غلبه بر این مشکلات، تیم از سایر فناوری‌های آشکارساز الهام گرفتند. آنها ایده یک گذرگاه خواندنی مش، را به عاریت گرفتند که اطلاعات آشکارساز را از یک ردیف یا ستون کامل پی،ل در یک زمان جمع آوری می کند. با این حال، یک کاربرد ساده از گذرگاه، مکالمه متقاطع بین پی،ل ها را معرفی کرد که حساسیت دستگاه را از بین برد. مک‌کاگان می‌گوید: «مشکل روش‌های معمول ساخت گذرگاه‌های خواندنی این است که متقارن هستند – هر چیزی که خارج شود می‌تواند وارد شود». “بنابراین ما فکر کردیم، “چگونه می تو،م آشکارساز را به روش نامتقارن به اتوبوس متصل کنیم؟”

کلید کشف طرح نامتقارن بود که در آن سیگنال یک آشکارساز به اتوبوس منتقل می شد، اما نه برع،. برای این کار، تیم یک مرحله می، را در کنار هر پی،ل شناسایی طراحی کرد که در آن یک ،صر گرما را به موازات نانوسیم ابررسانا سیم‌کشی ،د. برخورد فوتون به نانوسیم می تواند ابررسانایی را بشکند و جریان را به ،صر گرمایش منحرف کند. سپس ،صر گرمایش به طور طبیعی گرم می شود و به ،ه خود ابررسانایی را به صورت محلی در اتوبوس می شکند، که همچنین از سیم ابررسانا ساخته شده است. این باعث ایجاد مزاحمت در ،اصر گرمایش مجاور نمی شود و جفت نامتقارن مورد نظر را ایجاد می کند.

دوربین های بزرگتر می توانند به کاربردهای عملی منجر شوند

این طراحی بسیار پربار ثابت شد. مک‌کاگان با اشاره به نویسنده اصلی می‌گوید: «پس از بهینه‌سازی فرآیند ساخت، یادم می‌آید با،م مدام می‌آمد و به من می‌گفت: هی، آدام، فکر می‌کنم دوربین 2000 پی،لی کار می‌کند.» با،م اوریپوف. و سپس یک هفته بعد او برگشت و به من می‌گوید، من یک 8000 پی،ل کار می‌کردم. سپس “من 40000 پی،ل را دریافت کردم.” فقط به بالا و بالا و بالا و بالا و بالا ادامه داد.»

بهبود بزرگ اندازه، کاربردهای زیادی را به ویژه در تصویربرداری زیست پزشکی باز می کند. برای مثال دانشمند، مانند کپور و رورک هورست مایراستادیار تصویربرداری زیست‌پزشکی در دانشگاه دوک، در حال توسعه تکنیک‌هایی برای تصویربرداری از مغز با تابش نور به آن و شناسایی مقادیر ناچیز نوری هستند که به بیرون پراکنده می‌شوند. هورست مایر می گوید: «دیدگاه بزرگ ساخت یک ام آر آی قابل حمل است.

برای تابش نور به بافت انسان، فرکانس های نزدیک به مادون قرمز ایده آل هستند. آنها می توانند عمیق تر به بافت نفوذ کنند و کمتر م،ب هستند و اجازه می دهند تا شدت بیشتری داشته باشند. آشکارسازهای مبتنی بر سیلی، موجود در بازار در این فرکانس ها عملکرد خوبی ندارند. Horstmeyer می‌گوید: «این فناوری نانوسیم واقعاً برای نوری که ترجیحاً در دستگاه‌های بیواپتیکی استفاده می‌شود، من، است. داشتن یک دستگاه بزرگ از این نوع، امکاناتی مانند تصویربرداری از کل مغز را در زمان واقعی باز می کند.

تیم Boulder اکنون از نزدیک با چندین گروه تصویربرداری زیستی کار می کند تا دستگاه را با نیازهای خاص آنها، مانند بهبود حساسیت زمان، تطبیق دهد. محققان بر این باورند که این پیشرفت ها در دسترس هستند. Carp می‌گوید: «تا جایی که کاربردهای این فناوری وجود دارد، تا حدودی آسمان حد است».