Forskare använder supraledande detektorer (MKID) för att fånga enstaka fotoner som kommer från exoplaneter. MKID övervakar ständigt sin egen kinetiska induktans, som förändras proportionellt mot energin hos en inkommande foton. Forskare från SRON Netherlands Institute for Space Research har nu mer än fördubblat sin spektralupplösning genom att återfånga det mesta av den läckta energin. Forskningen publicerades i Fysisk granskning tillämpad .

I en superledare vid låg temperatur, de flesta elektroner lever i par. En oscillerande ström accelererar och retarderar dessa par, ger upphov till en effekt som kallas kinetisk induktans. När en foton träffar en superledare, dess energi kaskader genom materialet, bryter upp tusentals elektronpar. En lägre paritetstäthet innebär en högre kinetisk induktans.

Forskare använder den här egenskapen för att upptäcka enstaka synliga och nära infraröda fotoner, till exempel från exoplaneter, genom att bygga supraledande enkelfotondetektorer i form av mikrovågsresonatorer, kallas mikrovågs kinetiska induktansdetektorer (MKID). Dessa detektorer mäter ständigt den kinetiska induktansen hos deras material och härleder om en foton har träffat. Och i så fall, med vilken våglängd, så att varje pixel också kan mäta ett spektrum. Pieter de Visser vid SRON Netherlands Institute for Space Research och kollegor har nu modifierat utformningen av MKID för att uppnå en 2,5-faldig ökning av precisionen med vilken enheten kan mäta en fotonets våglängd.

För närvarande, konventionella enkelfotondetektorer är supraledande kretsar, avsatt på en tjock (> 300 μm) kisel- eller safirunderlag. Spektralupplösningen för dessa detektorer är begränsad, eftersom en del av den initiala energin från den detekterade fotonen kan läcka bort i substratet genom akustiska vågor - fononer - innan den registreras. Denna energiförlust ökar den statistiska variansen för den kinetiska induktanssignalen som används för att detektera en foton, vilket vidgar det uppmätta spektrumet.

I deras omdesignade enhet, De Visser och hans kollegor ersätter substratet med ett tunt (110 nm) kiselnitridmembran. De visar att fononer som flyr från den supraledande tråden in i detta membran reflekterar från membranets bottenyta tillbaka in i superledaren. Där avslutar de sitt jobb med att bryta upp fler elektronpar. Forskarna uppnådde experimentellt upplösningseffekter på 52 och 19 för optiska och nära-infraröda fotoner, respektive. För konventionella MKID var dessa nummer 21 och 10.

De planerar nu att ta itu med två utmaningar. För det första för att nå ännu högre spektralupplösning genom starkare fononfångning, med hjälp av så kallade fononiska kristaller. För det andra för att tillämpa denna metod på enheter med många pixlar, att skapa instrument som är lämpliga för astronomiska och biologiska tillämpningar, som att studera exoplanets atmosfär och fluorescensmätningar av biologiska prover.