Spektral opløsning af superledende enkeltfotondetektorer mere end fordoblet

Forskeren bruger superledende detektorer (MKID'er) til at fange enkeltfotoner, der kommer fra exoplaneter. MKID'er overvåger konstant deres egen kinetiske induktans, som ændrer sig proportionalt med energien fra en indkommende foton. Forskere fra SRON Netherlands Institute for Space Research har nu mere end fordoblet deres spektralopløsning ved at fange det meste af den lækkede energi igen. Undersøgelsen blev offentliggjort i Fysisk gennemgang anvendt .

I en superleder ved lav temperatur, de fleste elektroner lever i par. En oscillerende strøm accelererer og bremser disse par, giver anledning til en effekt kaldet kinetisk induktans. Når en foton rammer en superleder, dets energi kaskader gennem materialet, at opdele tusinder af elektronpar. En lavere tæthed af par betyder en højere kinetisk induktans.

Forskere bruger denne ejendom til at detektere enkelte synlige og nær-infrarøde fotoner, for eksempel fra eksoplaneter, ved at bygge superledende enkelt-foton detektorer i form af mikrobølgeresonatorer, kaldet mikrobølge kinetiske induktansdetektorer (MKID'er). Disse detektorer måler konstant den kinetiske induktans af deres materiale og udleder, om en foton har ramt. Og hvis ja, med hvilken bølgelængde, så hver pixel også kan måle et spektrum. Pieter de Visser ved SRON Netherlands Institute for Space Research og kolleger har nu ændret designet på MKID'er for at opnå en 2,5-fold stigning i præcisionen, hvormed enheden kan måle en foton's bølgelængde.

I øjeblikket, konventionelle enkeltfotondetektorer er superledende kredsløb, deponeret på en tyk (> 300 μm) silicium- eller safirsubstrat. Spektralopløsningen for disse detektorer er begrænset, fordi en del af den oprindelige energi fra den detekterede foton kan sive væk i substratet gennem akustiske bølger - fononer - før den registreres. Dette energitab øger den statistiske varians af det kinetisk-induktanssignal, der bruges til at detektere en foton, som udvider det målte spektrum.

I deres redesignede enhed, De Visser og hans kolleger erstatter substratet med en tynd (110 nm) siliciumnitridmembran. De viser, at fononer, der flygter fra den superledende ledning ind i denne membran, reflekteres fra membranens bundoverflade tilbage til superlederen. Der afslutter de deres job med at bryde flere elektronpar op. Forskerne opnåede eksperimentelt en opløsning på 52 og 19 for optiske og nær-infrarøde fotoner, henholdsvis. For konventionelle MKID'er var disse tal 21 og 10.

De planlægger nu at tage fat på to udfordringer. For det første for at nå endnu højere spektral opløsning ved stærkere fononfangst, ved hjælp af såkaldte fononiske krystaller. For det andet for at anvende denne metode på enheder med mange pixels, at skabe instrumenter, der er egnede til astronomiske og biologiske anvendelser, såsom at studere eksoplanets atmosfære og fluorescensmålinger af biologiske prøver.