Al zo'n 30 jaar wetenschappers hebben supergeleidende materialen gebruikt om de kleinste lichtvlekjes die je je kunt voorstellen vast te leggen:individuele fotonen, of enkele lichtdeeltjes. Echter, deze detectoren, die bestaan ​​uit ultrakoude draden van slechts ongeveer een duizendste van de diameter van een mensenhaar, waren beperkt tot het opnemen van enkele fotonen bij zichtbaar licht en iets langere golflengten, in het nabij-infrarood (IR).

Door de samenstelling van deze nanodraden te veranderen, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun collega's hebben nu aangetoond dat de apparaten afzonderlijke fotonen met golflengten tot 10 micrometer (miljoensten van een meter) efficiënt kunnen opnemen, vijf keer langer dan voorheen mogelijk was. Deze onzichtbare golflengten van licht, die in het midden van het IR-gedeelte van het elektromagnetische spectrum vallen (zie grafiek), worden uitgestoten wanneer lichamen warmte uitstralen. Het menselijk lichaam straalt het grootste deel van zijn warmte uit op 10 micrometer.

De mogelijkheid om fotonen op mid-IR-golflengten te detecteren, opent het venster op enorme nieuwe kansen voor onderzoek en toepassingen, inclusief een verbeterde zoektocht naar chemische tekenen van leven op andere planeten, de stealth-navigatie van voertuigen in het pikkedonker, en de zoektocht naar donkere materie, het onzichtbare materiaal waarvan wordt aangenomen dat het ongeveer 80 procent van de massa van het universum uitmaakt.

Aardwetenschappers die de evolutie en het veranderende klimaat van onze planeet proberen te begrijpen, evenals astronomen die zoeken naar tekenen van leven buiten het zonnestelsel, hebben een bijzondere interesse in het detecteren van individuele mid-IR-fotonen. Dat komt omdat veel moleculen die kunnen wijzen op biologische activiteit allemaal een speciale "vingerafdruk" hebben - hun bestaan ​​en overvloed kunnen worden geïdentificeerd door de specifieke golflengten van midden-IR-licht dat ze absorberen.

Astronomen die op zoek zijn naar sporen van biologische activiteit buiten het zonnestelsel, registreren het buitengewoon zwakke licht van verre sterren die door de atmosfeer van een om de aarde draaiende planeet filteren. Als die atmosfeer mogelijke chemische tekenen van leven bevat, waaronder waterdamp, kooldioxide, zuurstof, ozon, methaan, en lachgas - de atmosfeer zal mid-IR-fotonen absorberen uit het lichtspectrum dat wordt ontvangen door telescopen in een baan om de aarde. Hoewel telescopen in de ruimte al gebruikmaken van conventionele mid-IR-fotondetectoren om die absorpties te onderscheiden, de instrumenten missen de nauwkeurigheid van enkelfotondetectoren, wat van cruciaal belang kan zijn als de lichtniveaus laag zijn.

Veronderstellen, bijvoorbeeld, die 10, 000 fotonen die door de ster worden uitgezonden, reizen door de atmosfeer van een planeet. (Er is een onzekerheid van ongeveer 1 procent, of 100 fotonen, in dat fotongetal.) Als die atmosfeer koolstofdioxide bevat, zijn aanwezigheid zou verschijnen als een dip van ongeveer 500 fotonen bij een bepaalde mid-IR-golflengte. De fotonen die er wel helemaal doorheen gaan en een detector bereiken aan boord van een in een baan om de aarde draaiende telescoop, triggeren een stroom van elektronen die wordt versterkt om het signaal uit te lezen.

Conventionele fotondetectoren hebben een extra ruiscomponent die hoort bij de elektronische versterkers. Als de ruis geproduceerd door de versterkers een vals signaal van 500 elektronen produceert, er is een groot probleem:de ruis is net zo groot als het signaal (een daling van 500 elektronen als gevolg van de koolstofdioxide in de atmosfeer van de planeet).

In tegenstelling tot, de supergeleidende nanodraaddetectoren hebben een veel lagere uitleesruis. Wanneer een enkel foton wordt geabsorbeerd, supergeleiding wordt tijdelijk vernietigd in het apparaat en er wordt een kleine stroompuls gegenereerd die gemakkelijk kan worden gemeten. Ander werk heeft aangetoond dat deze uitleestechniek minder dan 1 keer per dag aanleiding kan geven tot een valse klik.

Deze enkelvoudige fotondetectoren zijn ook stabiel gedurende langere tijdsperioden, een extra bonus voor veel astronomische studies:waarnemingen van planetaire atmosferen vereisen doorgaans detectie over meerdere volledige banen.

De nanodraden, die een diameter hebben van slechts 50 tot 100 nanometer, zijn vervaardigd uit dunne films van wolfraamsilicide, een verbinding van wolfraam en silicium. Afgekoeld tot enkele graden boven het absolute nulpunt, het is supergeleidend. Dat betekent dat elektronen in de draden slechts een kleine hoeveelheid energie van een binnenkomend foton hoeven te absorberen om een ​​elektrisch signaal te genereren. De lage temperatuur beperkt ook willekeurige elektronische ruis in de detectoren, wat belangrijk is bij het waarnemen van zulke lage lichtniveaus.

Een van de grootste uitdagingen bij het detecteren van mid-IR-fotonen is dat elk deeltje van IR-licht veel minder energie draagt ​​dan een zichtbaar licht-foton. Om de lagere energie te compenseren, NIST-onderzoeker Varun Verma en zijn collega's verminderden de dichtheid van elektronen in de draden die beschikbaar zijn om de fotonen te absorberen. Met minder beschikbare elektronen, de fractie van de totale fotonenergie die door een elektron wordt geabsorbeerd, is waarschijnlijk hoger, waardoor de kans groter wordt dat het elektron voldoende energie zou hebben om de supergeleidende opening over te steken en een signaal te genereren wanneer IR-fotonen de detector raken.

Het team beperkte het aantal elektronen door de hoeveelheid silicium ten opzichte van wolfraam in de nanodraden op te voeren. (Dat komt omdat silicium minder vrije elektronen heeft en daarom een ​​slechtere geleider is dan wolfraam.) Een verhouding van twee delen silicium tot drie delen wolfraam werkte het beste, vonden de onderzoekers.

In een recente editie van APL Fotonica , Varun en zijn collega's van NASA's Jet Propulsion Laboratory, MIT, en Lancaster University in het Verenigd Koninkrijk meldden dat het mogelijk is om een ​​verzadiging van de interne kwantumefficiëntiegolflengten tot 10 micrometer in de nanodraden waar te nemen. Het wordt verwacht dat, met verfijningen in het ontwerp, de detectie-efficiëntie zou zeer dicht bij 100% kunnen zijn.

Om een ​​nanodraaddetector te maken die groot genoeg is om midden-IR-fotonen van zwak sterlicht te detecteren, de NIST-onderzoekers moeten aantonen dat de nanodraden een voldoende groot gebied kunnen bestrijken om een ​​IR-camera te vullen die is ontworpen voor telescoopwaarnemingen. Dat werk is aan de gang.

In de tussentijd, het NIST-team werkt samen met DARPA aan een meer directe toepassing:navigatie van een militair voertuig onder zeer lage lichtniveaus. Een tank of militaire vrachtwagen die 's nachts of ondergronds rijdt, moet dit doen zonder zijn aanwezigheid aan een vijand te verraden. Koplampen, of zelfs een zwakke straal die in het donker op objecten weerkaatst, zijn niet aan de orde.

Omdat de supergeleidende nanodraad-apparaten de kleine hoeveelheden mid-IR-licht kunnen opnemen die van nature worden uitgestraald door een assortiment objecten op het pad van het voertuig - zoals steen, bodem, bomen, mensen, dieren of andere voertuigen - ze kunnen navigatiebegeleiding geven zonder iemand te tippen.

De NIST-onderzoekers schatten dat een van hun apparaten binnen de komende vijf jaar op een voertuig kan worden geïnstalleerd. Het team werkt aan het miniaturiseren van het koelsysteem van de detector, zodat het gemakkelijk in een tank of vrachtwagen past.

De supergeleidende nanodraden kunnen, in theorie, donkere materie detecteren als de onzichtbare deeltjes op zo'n manier interageren met gewone materie dat ze mid-IR-fotonen genereren. Maar omdat dergelijke interacties zeldzaam zijn, onderzoekers zouden veel grotere nanodraaddetectoren moeten bouwen om deze interactie binnen redelijke tijdschalen te zien.