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Eine hochempfindliche Kamera wird nach außerirdischem Leben und dunkler Materie suchen

21.11.2019

Forscher des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) haben die bisher empfindlichste Kamera entwickelt, deren Pixel Sensoren sind, die einzelne Lichtphotonen erfassen können. Diese Kamera hat mehr als tausend Pixel auf ihrem Sensor und soll auf Weltraumteleskopen der nächsten Generation installiert werden, wo sie zur Suche nach chemischen Lebenszeichen auf anderen Planeten verwendet wird, sucht nach der schwer fassbaren dunklen Materie, die ausmacht den größten Teil der gesamten Materie des Universums.

Jedes Pixel der Nova ist ein Wolfram-Silizium-Nanodraht, 3.5 Millimeter lang, 180 Nanometer breit und 3 Nanometer dick. Diese Nanodrähte werden auf einem Siliziumsubstrat platziert und durch Drahtverbindungen aus supraleitendem Niob mit der „Außenwelt“ verbunden. Diese Pixelanordnung der Kamera bietet die beste derzeit verfügbare Geschwindigkeit, Effizienz und Farbpalette. Solche Sensoren wurden bereits in der Vergangenheit von NIST-Spezialisten verwendet, um das Phänomen der Quantenverschränkung zu untersuchen, das Albert Einstein „Geisterwirkung auf Distanz“ nannte.

Darüber hinaus hat ein neuer Typ lichtempfindlicher Sensoren ein sehr geringes Eigenrauschen, wodurch die Möglichkeit von Fehlalarmen und Datenverzerrungen ausgeschlossen wird. Diese Funktion ist äußerst wichtig für die Suche nach dunkler Materie und die Weltraumastronomie, wo es notwendig ist, einzelne Photonen mit der niedrigsten Energie einzufangen, Photonen, die sich am äußersten Ende des Infrarotbereichs befinden.

Die NIST-Kamera ist klein, ihr Kristall ist ein Quadrat mit einer Seite von 1,6 Millimetern, auf dem 1024 Sensoren in Form einer Matrix von 32 mal 32 Pixeln platziert sind. Bei einer so dichten Anordnung von Pixeln stießen NIST-Forscher zuerst auf das Problem der Überhitzung des Kamerakristalls, aber später wurde dieses Problem erfolgreich gelöst, indem die elektrischen Leiter der Informationsleseschaltkreise erweitert wurden.

Jetzt haben die Forscher bereits erreicht, dass 99,5 % der voll funktionsfähigen Sensoren am Ausgang der technologischen Produktionslinie erhalten werden. Als nächste Schritte wollen die Wissenschaftler die Effizienz von Pixelsensoren steigern, um deren Empfindlichkeit im Grenzbereich zu erhöhen. Und erst danach planen die Forscher, große Versionen von Kameras zu erstellen, deren Pixelzahl in die Millionen gehen wird.

Die Parameter der neuen Kamera wurden am NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) und am California Institute of Technology gemessen. Denn nur dort ist die für solche Messungen notwendige Elektronik vorhanden, die nun zur Entwicklung und Implementierung optischer Kommunikationssysteme im Weltraum eingesetzt wird.

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