Создана уникальная камера для регистрации темной материи

Ученые смогли добиться точности считывания заряда с каждого пикселя ПЗС-матрицы (прибор с зарядовой связью) в один электрон. Это достижение дает возможность регистрировать отдельные фотоны в оптическом и инфракрасном диапазонах, что позволяет использовать прибор в качестве детектора темной материи и в других практических областях, где необходима экстремальная чувствительность, таких как спектроскопия атмосфер экзопланет. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

ПЗС-матрицы стали стандартными приборами для регистрации фотонов как в науке (например, в астрономии), так и в других областях. В частности, именно на этой технологии работают современные фотоаппараты. Когда фотон попадает на пиксель такой матрицы, его энергия рождает электронно-дырочную пару. Появляющийся заряд создает электрическое напряжение, которое и считывается в виде сигнала. Однако превращения заряда в напряжение сопровождается так называемым шумом считывания, который ограничивает чувствительность прибора. Для борьбы с этой проблемой используются многократные измерения. Одним из примеров ПЗС-матрицы с многократными считываниями является Skipper CCD (Charge-coupled device) — устройство, которое способно измерять заряд на пикселях с одноэлектронной точностью.

В течение долгого времени шум считывания был одним из основных ограничивающих факторов для ПЗС-матриц. Получение измеряемого напряжения с маленького пикселя требует существенного усиления, что неминуемо увеличивает и помехи. Одно из решений, предложенное еще 40 лет назад, заключается в том, что заряда пикселя временно переносится в специальный узел, где он может быть измерен несколько раз. Усреднение по многочисленным измерениям позволяет подавить большую часть помех.

Устройства Skipper CCD уже были продемонстрированы ранее, но в новой работе Хавьер Тиффенберг из Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми в США и его коллеги оптимизировали систему, лучше изолировав ее от внешних источников шума. Прибор, созданный ими на основе кремния, представляет собой матрицу 4126×866 пикселей, шум пикселей которой равен всего 0,068 элементарного заряда благодаря тому, что заряд каждого пикселя был измерен 4000 раз. Соответственно, резко увеличилось время считывания, которое составило несколько часов, что, впрочем, может быть вполне приемлемо при поисках исключительно редких событий, таких как взаимодействие гипотетических частиц темной материи с атомами кремния. Согласно оценкам авторов, созданная ими матрица может стать эффективным инструментом для поиска частиц темной материи в диапазоне масс от нескольких электронвольт до десяти гигаэлектронвольт.