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Una cámara con sensor de luz podría ayudar a detectar vida extraterrestre

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Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado una cámara de alto rendimiento compuesta por sensores que cuentan fotones individuales o partículas de luz, según un artículo de Phys.org.

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La cámara, que tiene más de 1.000 sensores, o píxeles, podría ayudar a los futuros telescopios espaciales a buscar señales de vida en otros planetas, y en nuevos instrumentos diseñados para buscar la "materia oscura" que se cree constituye la mayor parte del universo.

La cámara se compone de sensores hechos de nanocables superconductores, que pueden detectar fotones individuales. Están entre los mejores contadores de fotones en términos de velocidad, eficiencia y rango de sensibilidad de color.

Los detectores de nanocables también tienen las tasas más bajas de conteo de oscuridad de cualquier tipo de sensor de fotones, lo que significa que no cuentan las señales falsas causadas por el ruido en lugar de los fotones. Esta función es especialmente útil para búsquedas de materia oscura y astronomía espacial. Pero para estas aplicaciones se requieren cámaras con más píxeles y mayores dimensiones físicas que las disponibles anteriormente, y también necesitan detectar la luz en el extremo opuesto de la banda infrarroja, con longitudes de onda más largas de lo que es práctico en la actualidad.

La cámara del NIST es un cuadrado de 1,6 milímetros de lado, empaquetado en 1.024 sensores (32 columnas por 32 filas) para hacer imágenes de alta resolución. El principal desafío era encontrar una manera de cotejar y obtener resultados de tantos detectores sin sobrecalentamiento. Los investigadores ampliaron una arquitectura de "lectura" que habían demostrado previamente con una cámara más pequeña de 64 sensores que suma datos de las filas y columnas, un paso hacia el cumplimiento de los requisitos de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA).

"Mi motivación principal para hacer la cámara es el proyecto del Telescopio Espacial Origins de la NASA, que está estudiando el uso de estos conjuntos para analizar la composición química de los planetas que orbitan estrellas fuera de nuestro sistema solar", dijo el ingeniero electrónico del NIST Varun Verma. Cada elemento químico en la atmósfera del planeta absorbería un conjunto único de colores, señaló.

"La idea es observar el espectro de absorción de la luz que pasa a través del borde de la atmósfera de un exoplaneta mientras transita frente a su estrella madre", explicó Verma. "Las señales de absorción nos hablan de los elementos de la atmósfera, especialmente de aquellos que pueden dar origen a la vida, como el agua, el oxígeno y el dióxido de carbono. Las firmas para estos elementos están en el espectro infrarrojo medio a lejano, y todavía no existen conjuntos de detectores de conteo de fotones únicos de gran área para esa región del espectro, así que recibimos una pequeña cantidad de fondos de la NASA para ver si podíamos ayudar a resolver ese problema"

Verma y sus colegas lograron un gran éxito en la fabricación, con un 99,5% de los sensores funcionando correctamente. Pero la eficiencia del detector en la longitud de onda deseada es baja. Aumentar la eficiencia es el siguiente reto. Los investigadores también esperan hacer cámaras aún más grandes, quizás con un millón de sensores.

La cámara se fabricó en un proceso complicado en la planta de microfabricación del NIST en Boulder, Colorado. Los detectores se fabrican con obleas de silicio cortadas en chips. Los nanocables, hechos de una aleación de tungsteno y silicio, tienen una longitud aproximada de 3,5 milímetros, 180 nanómetros (nm) de ancho y 3 nm de espesor. El cableado está hecho de niobio superconductor.