Registrering af mellem-infrarødt lys, en foton ad gangen

I omkring 30 år, videnskabsmænd har brugt superledende materialer til at registrere de mindste lyspletter man kan forestille sig – individuelle fotoner, eller enkelte lyspartikler. Imidlertid, disse detektorer, som består af ultrakolde tråde kun omkring en tusindedel af diameteren af ​​et menneskehår, var begrænset til at optage enkelte fotoner ved synligt lys og lidt længere bølgelængder, i det nære infrarøde (IR).

Ved at ændre sammensætningen af ​​disse nanotråde, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres kolleger har nu demonstreret, at enhederne effektivt kan optage enkeltfotoner, der har bølgelængder op til 10 mikrometer (milliondele af en meter), fem gange længere end tidligere muligt. Disse usynlige bølgelængder af lys, som falder i den midterste del af det elektromagnetiske spektrum (se diagrammet), udsendes, når kroppen udstråler varme. Den menneskelige krop udstråler størstedelen af ​​sin varme ved 10 mikrometer.

Evnen til at detektere fotoner ved mid-IR-bølgelængder åbner vinduet for store nye muligheder for forskning og applikationer, inklusive en forbedret søgen efter kemiske tegn på liv på andre planeter, stealth navigation af køretøjer i buldermørke, og søgen efter mørkt stof, det usynlige materiale, der menes at udgøre omkring 80 procent af universets masse.

Jordforskere forsøger at forstå udviklingen og det skiftende klima på vores planet, såvel som astronomer, der søger efter tegn på liv hinsides solsystemet, har en særlig interesse i at detektere individuelle mid-IR-fotoner. Det skyldes, at mange molekyler, der kan indikere biologisk aktivitet, alle har et særligt "fingeraftryk" - deres eksistens og overflod kan identificeres ved de specifikke bølgelængder af midt-IR-lys, som de absorberer.

Astronomer, der jager efter antydninger af biologisk aktivitet uden for solsystemet, registrerer det ekstraordinært svage lys fra fjerne stjerner, der filtrerer gennem atmosfæren på en planet i kredsløb. Hvis atmosfæren indeholder mulige kemiske tegn på liv - inklusive vanddamp, carbondioxid, ilt, ozon, metan, og dinitrogenoxid - atmosfæren vil absorbere midt-IR-fotoner fra lysspektret modtaget af teleskoper, der kredser om Jorden. Selvom rumbaserede teleskoper allerede anvender konventionelle mid-IR fotondetektorer til at skelne disse absorptioner, instrumenterne mangler nøjagtigheden af ​​enkeltfoton-detektorer, hvilket kan være kritisk, når lysniveauet er lavt.

Formode, for eksempel, at 10, 000 fotoner udsendt af stjernen rejser gennem en planets atmosfære. (Der er en usikkerhed på omkring 1 procent, eller 100 fotoner, i det fotonnummer.) Hvis atmosfæren indeholder kuldioxid, dens tilstedeværelse ville vise sig som et fald på omkring 500 fotoner ved en bestemt mid-IR-bølgelængde. De fotoner, der passerer hele vejen igennem, og som når en detektor ombord på et teleskop, der kredser om jorden, udløser en strøm af elektroner, der forstærkes for at udlæse signalet.

Konventionelle fotondetektorer har en ekstra støjkomponent forbundet med de elektroniske forstærkere. Hvis støjen produceret af forstærkerne producerer et falsk signal på 500 elektroner, der er et stort problem:Støjen er lige så stor som signalet (et fald på 500 elektroner på grund af kuldioxiden i planetens atmosfære).

I modsætning, de superledende nanotrådsdetektorer har meget lavere udlæsningsstøj. Når en enkelt foton absorberes, superledningsevnen ødelægges midlertidigt i enheden, og der genereres en lille strømpuls, som let kan måles. Andet arbejde har vist, at denne udlæsningsteknik kan give anledning til et falsk klik mindre end 1 gang om dagen.

Disse enkeltfoton-detektorer er også stabile over længere tidsperioder, en ekstra bonus for mange astronomiske undersøgelser:Observationer af planetariske atmosfærer kræver typisk detektioner over flere komplette baner.

Nanotrådene, som kun har en diameter på 50 til 100 nanometer, er fremstillet af tynde film af wolframsilicid, en forbindelse af wolfram og silicium. Afkølet til et par grader over det absolutte nulpunkt, det er superledende. Det betyder, at elektroner i ledningerne kun behøver at absorbere en lille mængde energi fra en indkommende foton for at generere et elektrisk signal. Den lave temperatur begrænser også tilfældig elektronisk støj i detektorerne, hvilket er vigtigt, når man føler så lave lysniveauer.

En af hovedudfordringerne i forsøget på at detektere midt-IR-fotoner er, at hver partikel af IR-lys bærer meget mindre energi, end en foton med synligt lys gør. For at kompensere for den lavere energi, NIST-forsker Varun Verma og hans kolleger reducerede tætheden af ​​elektroner i de ledninger, der er tilgængelige til at absorbere fotonerne. Med færre elektroner til rådighed, brøkdelen af ​​den samlede fotonenergi absorberet af en elektron er sandsynligvis højere, øger sandsynligheden for, at elektronen ville have nok energi til at krydse det superledende mellemrum og generere et signal, når IR-fotoner rammer detektoren.

Holdet begrænsede antallet af elektroner ved at øge mængden af ​​silicium i forhold til wolfram i nanotrådene. (Det skyldes, at silicium har færre frie elektroner og derfor er en dårligere leder end wolfram.) Et forhold mellem to dele silicium og tre dele wolfram fungerede bedst, fandt forskerne.

I en nyere udgave af APL fotonik , Varun og hans kolleger fra NASA's Jet Propulsion Laboratory, MIT, og Lancaster University i Det Forenede Kongerige rapporterede, at det er muligt at observere en mætning af de interne kvanteeffektivitetsbølgelængder op til 10 mikrometer i nanotrådene. Det forventes, at med justeringer af designet, detektionseffektiviteten kan være meget tæt på 100 %.

For at skabe en nanotrådsdetektor, der er stor nok til at detektere midt-IR-fotoner fra svagt stjernelys, NIST-forskerne skal demonstrere, at nanotrådene kan dække et stort nok område til at fylde et IR-kamera designet til teleskopobservationer. Det arbejde er i gang.

I mellemtiden NIST-teamet samarbejder med DARPA om en mere umiddelbar anvendelse:navigation af et militærkøretøj under forhold med meget lave lysniveauer. En kampvogn eller militærlastbil, der rejser om natten eller under jorden, skal gøre det uden at forråde sin tilstedeværelse til en fjende. Forlygter, eller endda en svag stråle, der hopper af genstande i mørket, er udelukket.

Fordi de superledende nanotrådenheder kan optage de små mængder midt-IR-lys, der naturligt udsendes af en række genstande i køretøjets vej - såsom sten, jord, træer, mennesker, dyr eller andre køretøjer – de kan give navigationsvejledning uden at tippe nogen.

NIST-forskerne vurderer, at en af ​​deres enheder kan installeres på et køretøj inden for de næste fem år. Holdet arbejder på at miniaturisere detektorens kølesystem, så det nemt kan passe ind i en tank eller lastbil.

De superledende nanotråde kunne, i teorien, opdage mørkt stof, hvis de usynlige partikler interagerer med almindeligt stof på en sådan måde, at de genererer midt-IR-fotoner. Men fordi sådanne interaktioner er sjældne, forskere ville være nødt til at bygge meget større nanotrådsdetektorer for at se denne interaktion over rimelige tidsskalaer.