Spectrale resolutie van supergeleidende enkel-foton-detectoren meer dan verdubbeld

Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Applied.

In een supergeleider op lage temperatuur leven de meeste elektronen in paren. Een wisselstroom versnelt en vertraagt deze paren, waarmee ze een bijzonder verschijnsel opwekken: kinetische inductie. Wanneer een foton op een supergeleider invalt, baant de energie zich als een waterval door het materiaal, waarbij hij duizenden elektronparen opbreekt. Een lagere dichtheid paren betekent een hogere kinetische inductie.

Wetenschappers gebruiken dit verschijnsel om losse fotonen van zichtbaar en nabij-infraroodlicht te detecteren, bijvoorbeeld van exoplaneten, door supergeleidende enkel-foton-detectoren te bouwen in de vorm van zogenoemde Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs). Deze detectoren meten continu de kinetische inductie van hun materiaal, zodat het opvalt als een foton invalt. Daarbij wordt ook meteen de golflengte bepaald, zodat elke pixel een spectrum kan opmeten. Pieter de Visser van SRON Netherlands Institute for Space Research en zijn collega’s hebben nu het ontwerp van MKIDs aangepast waarmee ze een tweeënhalf maal zo hoge nauwkeurigheid halen om de golflengte van een foton te meten.

Conventionele enkel-foton-detectoren bestaan uit supergeleidende circuitjes, aangebracht op een dikke (>300 μm) silicium of saffieren substraat. De spectrale resolutie van deze detectoren is gelimiteerd, omdat een deel van de oorspronkelijke energie van het invallende foton weglekt in het substraat via akoestische golven-fononen-voordat het wordt geregistreerd. Dit energieverlies vergroot de statistische variatie van het kinetische inductiesignaal dat wordt gebruikt om het foton te detecteren, waardoor het spectrum breder wordt.

In hun aangepaste apparaat vervangen De Visser en zijn collega’s het substraat met een dun (110 nm) siliciumnitride membraan. Ze laten zien dat fononen die ontsnappen vanuit de supergeleidende draad naar dit membraan, weer terugkaatsen vanaf de onderkant van het membraan naar de supergeleider. Daar maken ze hun werk af door meer elektronparen op te breken. De onderzoekers bereiken een oplossend vermogen van 52 en 19 voor respectievelijk zichtbaar en nabij-infrarode fotonen, tegenover 21 en 10 bij conventionele MKIDs.

Nu staan er twee nieuwe uitdagingen op de agenda. Ten eerste om een nog hogere spectrale resolutie te bereiken via betere invanging van ontsnapte fononen, met gebruik van zogenoemde fononische kristallen. Ten tweede om deze methode toe te passen op apparaten met veel pixels, om meetinstrumenten te maken die geschikt zijn voor astronomische en biologische toepassingen, zoals het bestuderen van exoplaneet-atmosferen en fluorescentiemetingen aan biologisch materiaal.