Op zoek naar de werking van enkel-foton-detectoren
Leidse natuurkundigen hebben een manier ontwikkeld om na te gaan hoe nauwkeurig een superconducting single photon detector kan worden onderzocht.
Kennis hiervan is nodig voor doorontwikkeling van bijvoorbeeld glasvezelcommunicatie, nachtkijkers, telescopen en kankerbehandeling. Publicatie in Journal of Applied Physics.
Stel je eens voor hoe goed nachtkijkers zouden werken als ze losse infrarood fotonen kunnen detecteren. Sterrenkundigen zouden heel graag extreem zwakke sterrenstelsels goed kunnen bekijken en artsen zouden enkele zuurstofdeeltjes willen volgen die kankercellen afbreken.
Voor deze toepassingen is een apparaat nodig dat specifiek is ontworpen om enkele fotonen te detecteren op ongebruikelijke golflengtes.
Enkele fotonen meten met supergeleiding
In hun onderzoek gebruiken Leidse natuurkundigen, onder leiding van Michiel de Dood, zo’n superconducting single photon detector (SSPD). Het is een reeks van kleine niobium-nitride draadjes, slechts honderd nanometer (nm) breed en 4 nm dik, afgekoeld tot een temperatuur van 3,2 Kelvin om ze supergeleidend te maken. In deze toestand heeft elektrische stroom geen weerstand.
Absorptie van een foton verzwakt supergeleiding. Dit kan weerstand veroorzaken in de niobiumnitride draadjes. Daardoor ontstaat een meetbare spanning, wat detectie betekent van een enkelfoton. Maar vreemd genoeg registreert de detector niet elk geabsorbeerd foton. Bovenop het feit dat niet alle fotonen worden geabsorbeerd, is er ook nog een inefficiëntie in het elektronische detectieproces van fotonen die wel al zijn geabsorbeerd.
Detector-tomografie om te karakteriseren
Vanwege hun enorme potentie willen wetenschappers SSPD’s heel graag verbeteren en gebruiken.
‘Voordat SSPD’s hun volle potentie bereiken, moeten we eerste beter begrijpen hoe ze werken,’ zegt De Dood. ‘Daarvoor hebben we nieuwe methodes nodig om ze te karakteriseren, en ik denk dat detector-tomografie de beste manier is. Daarmee kunnen we onderscheid maken tussen inefficiëntie van absorptie en van elektronische detectie. Vóór we goede conclusies kunnen trekken, moeten we de precisie en praktische beperkingen bepalen van de nieuwe methode.’
En nu heeft het onderzoeksteam van De Dood een manier gevonden om precies dat te doen. Het is een stap voorwaarts richting het volledig begrijpen van de mechanismen achter SSPD’s.
Zie ook
Artikel: How noise affects quantum detector tomography Q. Wang, J. J. Renema, A. Gaggero, F. Mattioli, R. Leoni, M. P. van Exter and M. J. A. de Dood