Подавляющее большинство камер, установленных на наземных и космических телескопах, видят окружающий мир в черно-белой форме, фотоны света ударяют в поверхность датчика, высвобождая свободные электроны, которые создают крошечный электрический ток, регистрируемый чувствительными цепями приемников. Если энергия фотона находится в диапазоне чувствительности датчика, то это приводит к засветке пиксела, он становится белым. Для того, чтобы увидеть окружающую среду в цветном изображении камеры делают по несколько черно-белых снимков в различных частях диапазона видимого света. Это достигается при помощи использования светофильтров зеленого, синего и красного цветов, или при помощи других, более сложных оптических методов.

В новой камере ARCONS (Array Camera for Optical to Near IR Spectrophotometry) для формирования цветного изображения использован совершенно иной подход.

Благодаря особенностям строения датчика эта камера способна зарегистрировать не только наличие или отсутствие фотонов света, датчик камеры способен измерить точную энергию (длину волны) и время регистрации каждого единичного фотона прибывающего света.

Сердцем камеры ARCONS, над созданием которой работали ученые из Калифорнийского университета, Лаборатории НАСА по изучению реактивного движения, Оксфордского университета и Лаборатории Ферми, является 60-нанометровый слой нитрида титана (TiN), располагающийся на кремниевой подложке.

В зависимости от пропорции соотношения количества титана и азота этот материал становится сверхпроводником при температуре около 1 градуса по шкале Кельвина. При уменьшении процентной доли азота температура перехода материала в сверхпроводящее состояние уменьшается, как уменьшается и ширина запрещенной зоны, потенциального барьера, который определяет высокую чувствительность датчика.

У нитрида титана, находящегося в сверхпроводящем пограничном состоянии, ширина запрещенной зоны на три порядка меньше, чем аналогичный показатель у обычных полупроводниковых материалов.

Слой нитрида титана разбит на матрицу 44 на 46 точек, каждый пиксель матрицы имеет свой собственный индивидуально настроенный микроволновый резонатор и микролинзу. Вся эта конструкция установлена на вершине сосуда Дьюара, что поддерживает температуру датчика на уровне 0.1 К и накрыта одной общей линзой.

Конструкция и физическое состояние датчика обуславливает наличие интересного эффекта, падающий фотон света не выбивает из материала свободные электроны, он становится причиной разрушения пар электронов, так называемых пар Купера, которые являются ключевым моментом явления сверхпроводимости.

Чем выше энергия фотона, тем больше куперовских пар он разбивает, что приводит к исчезновению сверхпроводимости и резкому увеличению электрического сопротивления пикселя. А амплитуда и фаза изменения сопротивления пикселя, в свою очередь, позволяют получить все характеристики фотона света.

Рис. 1.

Опрос и чтение значения всех 2024 пикселей датчика ARCONS осуществляется при помощи микроволнового высокочастотного мультиплексора, выход которого подключен к одному единственному измерительному каналу. Каждый пиксель может быть опрошен с частотой около 2500 раз в секунду, передавая точное значение цвета падающего света, который может находиться в диапазоне от ультрафиолетового (100 нм), видимого и до инфракрасного (больше 5000 нм) света. Для сравнения, обычные CCD-датчики способны регистрировать свет в диапазоне от 300 до 1000 нм, получая, при этом, лишь черно-белые изображения.

Камера ARCONS уже прошла ряд испытаний, будучи установленной на 5-метровом телескопе Palomar и 3-метровом телескопе Lick. А на втором изображении можно увидеть снимок галактики Arp 147, на вставке которого можно увидеть снимок этой же галактики, сделанный космическим телескопом Hubble. Конечно, разрешение датчика ARCONS не идет ни в какое сравнение с разрешение телескопа Hubble, но тут стоит сделать скидку на то, что это лишь экспериментальная модель датчика, установленная на наземном телескопе с зеркалом, диаметром в 5 метров и фокусным расстоянием в 17 метров.

Телескоп Hubble, находящийся в идеальных условиях в космосе, при диаметре зеркала в 2.4 метра, имеет фокусное расстояние 57.6 метра.

Датчик камеры ARCONS является не единственным подобным сверхпроводящим датчиком, разработка которого ведется в настоящее время. Существуют и другие подобные проекты, основанные на технологиях Superconducting Tunnel Junctions и Transition Edge Sensors, которые разрабатываются учеными из других научных организаций.