I cirka 30 år, forskare har använt supraledande material för att registrera de minsta ljusfläckar man kan tänka sig – individuella fotoner, eller enstaka ljuspartiklar. Dock, dessa detektorer, som består av ultrakalla trådar som bara är ungefär en tusendel av diametern på ett människohår, var begränsade till att registrera enstaka fotoner vid synligt ljus och något längre våglängder, i nära infraröd (IR).

Genom att ändra sammansättningen av dessa nanotrådar, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras kollegor har nu visat att enheterna effektivt kan registrera enskilda fotoner som har våglängder upp till 10 mikrometer (miljondelar av en meter), fem gånger längre än vad som tidigare varit möjligt. Dessa osynliga våglängder av ljus, som faller i mitten av IR-delen av det elektromagnetiska spektrumet (se diagram), släpps ut när kroppar utstrålar värme. Människokroppen utstrålar huvuddelen av sin värme vid 10 mikrometer.

Möjligheten att detektera fotoner vid medelstora IR-våglängder öppnar fönstret för stora nya möjligheter för forskning och tillämpningar, inklusive ett förbättrat sökande efter kemiska tecken på liv på andra planeter, smygnavigering av fordon i beckmörker, och sökandet efter mörk materia, det osynliga materialet som tros stå för cirka 80 procent av universums massa.

Jordforskare försöker förstå evolutionen och klimatförändringarna på vår planet, såväl som astronomer som söker efter tecken på liv bortom solsystemet, har ett särskilt intresse av att detektera individuella mid-IR-fotoner. Det beror på att många molekyler som kan indikera biologisk aktivitet alla har ett speciellt "fingeravtryck" - deras existens och överflöd kan identifieras av de specifika våglängderna av mid-IR-ljus som de absorberar.

Astronomer som letar efter antydningar om biologisk aktivitet bortom solsystemet registrerar det utomordentligt svaga ljuset från avlägsna stjärnor som filtrerar genom atmosfären på en planet som kretsar runt. Om den atmosfären innehåller möjliga kemiska tecken på liv – inklusive vattenånga, koldioxid, syre, ozon, metan, och lustgas – atmosfären kommer att absorbera mitten av IR-fotoner från det ljusspektrum som tas emot av teleskop som kretsar runt jorden. Även om rymdbaserade teleskop redan använder konventionella mid-IR fotondetektorer för att urskilja dessa absorptioner, instrumenten saknar noggrannheten hos enfotondetektorer, vilket kan vara kritiskt när ljusnivåerna är låga.

Anta, till exempel, att 10, 000 fotoner som emitteras av stjärnan färdas genom en planets atmosfär. (Det finns en osäkerhet på cirka 1 procent, eller 100 fotoner, i det fotonnumret.) Om atmosfären innehåller koldioxid, dess närvaro skulle visa sig som en dopp på cirka 500 fotoner vid en viss mitt-IR-våglängd. De fotoner som passerar hela vägen och som når en detektor ombord på ett jordomloppsteleskop utlöser ett flöde av elektroner som förstärks för att läsa ut signalen.

Konventionella fotondetektorer har en extra bruskomponent associerad med de elektroniska förstärkarna. Om bruset som produceras av förstärkarna producerar en falsk signal på 500 elektroner, det finns ett stort problem:bruset är lika stort som signalen (en droppe på 500 elektroner på grund av koldioxiden i planetens atmosfär.)

I kontrast, de supraledande nanotrådsdetektorerna har mycket lägre avläsningsbrus. När en enda foton absorberas, supraledning förstörs tillfälligt i enheten och en liten strömpuls genereras som lätt kan mätas. Annat arbete har visat att denna avläsningsteknik kan ge upphov till ett falskt klick mindre än 1 gång per dag.

Dessa singelfotondetektorer är också stabila under långa tidsperioder, en extra bonus för många astronomiska studier:Observationer av planetariska atmosfärer kräver vanligtvis upptäckter över flera hela banor.

Nanotrådarna, som har en diameter på endast 50 till 100 nanometer, är tillverkade av tunna filmer av volframsilicid, en förening av volfram och kisel. Kyld till några grader över absolut noll, det är supraledande. Det betyder att elektroner i ledningarna bara behöver absorbera en liten mängd energi från en inkommande foton för att generera en elektrisk signal. Den låga temperaturen begränsar också slumpmässigt elektroniskt brus i detektorerna, vilket är viktigt när man känner av så låga ljusnivåer.

En av de största utmaningarna när man försöker detektera fotoner i mitten av IR är att varje partikel av IR-ljus bär mycket mindre energi än en foton med synligt ljus. För att kompensera för den lägre energin, NIST-forskaren Varun Verma och hans kollegor minskade tätheten av elektroner i trådarna som är tillgängliga för att absorbera fotonerna. Med färre elektroner tillgängliga, andelen av den totala fotonenergin som absorberas av en elektron är sannolikt högre, öka sannolikheten för att elektronen skulle ha tillräckligt med energi för att passera det supraledande gapet och generera en signal när IR-fotoner träffar detektorn.

Teamet begränsade antalet elektroner genom att öka mängden kisel i förhållande till volfram i nanotrådarna. (Det beror på att kisel har färre fria elektroner och därför är en sämre ledare än volfram.) Ett förhållande mellan två delar kisel och tre delar volfram fungerade bäst, fann forskarna.

I en färsk upplaga av APL fotonik , Varun och hans kollegor från NASA:s Jet Propulsion Laboratory, MIT, och Lancaster University i Storbritannien rapporterade att det är möjligt att observera en mättnad av de interna kvanteffektivitetsvåglängderna upp till 10 mikrometer i nanotrådarna. Det förväntas att, med förfining av designen, detekteringseffektiviteten kan vara mycket nära 100 %.

För att skapa en nanotrådsdetektor som är tillräckligt stor för att detektera mellan-IR-fotoner från svagt stjärnljus, NIST-forskarna måste visa att nanotrådarna kan täcka ett tillräckligt stort område för att fylla en IR-kamera designad för teleskopobservationer. Det arbetet pågår.

Under tiden, NIST-teamet samarbetar med DARPA om en mer omedelbar tillämpning:navigering av ett militärfordon under förhållanden med mycket låga ljusnivåer. En stridsvagn eller militärlastbil som färdas på natten eller under jorden måste göra det utan att förråda sin närvaro till en fiende. Strålkastare, eller till och med en svag stråle som studsar mot föremål i mörkret, är uteslutna.

Eftersom de supraledande nanotrådsenheterna kan registrera de små mängderna mellan-IR-ljus som naturligt sänds ut av ett urval av föremål i fordonets väg — som sten, jord, träd, människor, djur eller andra fordon – de kan ge navigeringsvägledning utan att tipsa någon.

NIST-forskarna uppskattar att en av deras enheter kan installeras på ett fordon inom de närmaste fem åren. Teamet arbetar med att miniatyrisera detektorns kylsystem så att det enkelt kan passa in i en tank eller lastbil.

De supraledande nanotrådarna kunde, i teorin, upptäcka mörk materia om de osynliga partiklarna interagerar med vanlig materia på ett sådant sätt att de genererar mitt-IR-fotoner. Men eftersom sådana interaktioner är sällsynta, forskare skulle behöva bygga mycket större nanotrådsdetektorer för att se denna interaktion inom rimliga tidsramar.