Wetenschappers gebruiken supergeleidende detectoren (MKID's) om enkele fotonen van exoplaneten te vangen. MKID's bewaken voortdurend hun eigen kinetische inductantie, die evenredig verandert met de energie van een inkomend foton. Onderzoekers van SRON Netherlands Institute for Space Research hebben hun spectrale resolutie nu meer dan verdubbeld door het grootste deel van de gelekte energie opnieuw op te vangen. Het onderzoek is gepubliceerd in Fysieke beoordeling toegepast .

In een supergeleider bij lage temperatuur, de meeste elektronen leven in paren. Een oscillerende stroom versnelt en vertraagt ​​deze paren, waardoor een effect ontstaat dat kinetische inductie wordt genoemd. Als een foton een supergeleider raakt, zijn energie cascadeert door het materiaal, duizenden elektronenparen opbreken. Een lagere dichtheid van paren betekent een hogere kinetische inductantie.

Wetenschappers gebruiken deze eigenschap om enkele zichtbare en nabij-infrarode fotonen te detecteren, bijvoorbeeld van exoplaneten, door supergeleidende enkelfotondetectoren te bouwen in de vorm van microgolfresonatoren, Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKID's) genoemd. Deze detectoren meten constant de kinetische inductantie van hun materiaal en bepalen of een foton is geraakt. En als het zo is, met welke golflengte, zodat elke pixel ook een spectrum kan meten. Pieter de Visser van SRON Netherlands Institute for Space Research en collega's hebben nu het ontwerp van MKID's aangepast om een ​​2,5-voudige toename te bereiken van de precisie waarmee het apparaat de golflengte van een foton kan meten.

Momenteel, conventionele enkelvoudige fotondetectoren zijn supergeleidende circuits, afgezet op een dikke (> 300 m) silicium- of saffiersubstraat. De spectrale resolutie van deze detectoren is beperkt, omdat een deel van de initiële energie van het gedetecteerde foton via akoestische golven - fononen - in het substraat kan weglekken voordat het wordt geregistreerd. Dit energieverlies verhoogt de statistische variantie van het kinetische-inductantiesignaal dat wordt gebruikt om een ​​foton te detecteren, wat het gemeten spectrum verbreedt.

In hun opnieuw ontworpen apparaat, De Visser en zijn collega's vervangen het substraat door een dun (110 nm) siliciumnitridemembraan. Ze laten zien dat fononen die ontsnappen uit de supergeleidende draad in dit membraan reflecteren vanaf het bodemoppervlak van het membraan terug in de supergeleider. Daar maken ze hun werk af door nog meer elektronenparen op te breken. De onderzoekers bereikten experimenteel een oplossend vermogen van 52 en 19 voor optische en nabij-infrarode fotonen, respectievelijk. Voor conventionele MKID's waren dit 21 en 10.

Ze zijn nu van plan om twee uitdagingen aan te gaan. Ten eerste om een ​​nog hogere spectrale resolutie te bereiken door sterkere fonon-trapping, met behulp van zogenaamde fononische kristallen. Ten tweede om deze methode toe te passen op apparaten met veel pixels, instrumenten te creëren die geschikt zijn voor astronomische en biologische toepassingen, zoals het bestuderen van exoplaneetatmosfeer en fluorescentiemetingen van biologische monsters.