Durante unos 30 años, Los científicos han utilizado materiales superconductores para registrar las motas de luz más pequeñas imaginables:fotones individuales, o partículas individuales de luz. Sin embargo, estos detectores, que consisten en alambres ultrafríos de solo una milésima parte del diámetro de un cabello humano, se limitaron a registrar fotones individuales en luz visible y longitudes de onda ligeramente más largas, en el infrarrojo cercano (IR).

Al alterar la composición de estos nanocables, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus colegas ahora han demostrado que los dispositivos pueden registrar de manera eficiente fotones individuales que tienen longitudes de onda de hasta 10 micrómetros (millonésimas de metro), cinco veces más de lo que era posible anteriormente. Estas invisibles longitudes de onda de luz, que se encuentran en la parte de infrarrojos medios del espectro electromagnético (ver tabla), se emiten cuando los cuerpos irradian calor. El cuerpo humano irradia la mayor parte de su calor a 10 micrómetros.

La capacidad de detectar fotones en longitudes de onda de infrarrojo medio abre la ventana a nuevas e inmensas oportunidades para la investigación y las aplicaciones. incluyendo una búsqueda mejorada de signos químicos de vida en otros planetas, la navegación sigilosa de los vehículos en la oscuridad total, y la búsqueda de materia oscura, se cree que el material invisible representa aproximadamente el 80 por ciento de la masa del universo.

Los científicos de la tierra que intentan comprender la evolución y el cambio climático de nuestro planeta, así como los astrónomos que buscan signos de vida más allá del sistema solar, tienen un interés particular en la detección de fotones de IR medio individuales. Esto se debe a que muchas moléculas que pueden indicar actividad biológica tienen todas una "huella digital" especial:su existencia y abundancia pueden identificarse por las longitudes de onda específicas de la luz infrarroja media que absorben.

Los astrónomos que buscan indicios de actividad biológica más allá del sistema solar registran la luz extraordinariamente débil de las estrellas distantes que se filtran a través de la atmósfera de un planeta en órbita. Si esa atmósfera contiene posibles signos químicos de vida, incluido el vapor de agua, dióxido de carbono, oxígeno, ozono, metano, y óxido nitroso:la atmósfera absorberá fotones de infrarrojos medios del espectro de luz que reciben los telescopios que orbitan la Tierra. Aunque los telescopios espaciales ya emplean detectores de fotones de IR medio convencionales para discernir esas absorciones, los instrumentos carecen de la precisión de los detectores de fotón único, lo cual puede ser crítico cuando los niveles de luz son bajos.

Suponer, por ejemplo, ese 10, 000 fotones emitidos por la estrella viajan a través de la atmósfera de un planeta. (Hay una incertidumbre de alrededor del 1 por ciento, o 100 fotones, en ese número de fotones.) Si esa atmósfera contiene dióxido de carbono, su presencia se mostraría como una caída de aproximadamente 500 fotones en una longitud de onda de IR medio particular. Los fotones que atraviesan todo el camino y que llegan a un detector a bordo de un telescopio en órbita terrestre desencadenan un flujo de electrones que se amplifica para leer la señal.

Los detectores de fotones convencionales tienen un componente de ruido adicional asociado con los amplificadores electrónicos. Si el ruido producido por los amplificadores produce una señal falsa de 500 electrones, Hay un gran problema:el ruido es tan grande como la señal (una caída de 500 electrones debido al dióxido de carbono en la atmósfera del planeta).

A diferencia de, los detectores de nanocables superconductores tienen un ruido de lectura mucho menor. Cuando se absorbe un solo fotón, la superconductividad se destruye temporalmente en el dispositivo y se genera un pequeño pulso de corriente que se puede medir fácilmente. Otro trabajo ha demostrado que esta técnica de lectura puede dar lugar a un clic falso menos de 1 vez al día.

Estos detectores de fotón único también son estables durante períodos de tiempo prolongados, una ventaja adicional para muchos estudios astronómicos:las observaciones de atmósferas planetarias generalmente requieren detecciones en varias órbitas completas.

Los nanocables que tienen un diámetro de solo 50 a 100 nanómetros, están fabricados a partir de películas delgadas de siliciuro de tungsteno, un compuesto de tungsteno y silicio. Enfriado a unos pocos grados por encima del cero absoluto, es superconductor. Eso significa que los electrones en los cables solo necesitan absorber una pequeña cantidad de energía de un fotón entrante para generar una señal eléctrica. La baja temperatura también limita el ruido electrónico aleatorio en los detectores, lo cual es importante cuando se detectan niveles de luz tan bajos.

Uno de los principales desafíos al tratar de detectar fotones de IR medio es que cada partícula de luz IR transporta mucha menos energía que un fotón de luz visible. Para compensar la menor energía, El investigador del NIST, Varun Verma, y ​​sus colegas redujeron la densidad de electrones en los cables que están disponibles para absorber los fotones. Con menos electrones disponibles, es probable que la fracción de la energía total de los fotones absorbida por cualquier electrón sea mayor, aumentando la probabilidad de que el electrón tenga suficiente energía para cruzar la brecha superconductora y generar una señal cuando los fotones IR golpeen el detector.

El equipo limitó la cantidad de electrones aumentando la cantidad de silicio en relación con el tungsteno en los nanocables. (Eso se debe a que el silicio tiene menos electrones libres y, por lo tanto, es un conductor más pobre que el tungsteno). Una proporción de dos partes de silicio por tres partes de tungsteno funcionó mejor, los investigadores encontraron.

En una edición reciente de APL Photonics , Varun y sus colegas del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, MIT, y la Universidad de Lancaster en el Reino Unido informaron que es posible observar una saturación de las longitudes de onda de eficiencia cuántica interna de hasta 10 micrómetros en los nanocables. Se espera que, con refinamientos en el diseño, la eficiencia de detección podría estar muy cerca del 100%.

Para crear un detector de nanocables lo suficientemente grande como para detectar fotones de infrarrojos medios de la tenue luz de las estrellas, Los investigadores del NIST deben demostrar que los nanocables pueden cubrir un área lo suficientemente grande como para llenar una cámara de infrarrojos diseñada para observaciones de telescopios. Ese trabajo está en marcha.

Mientras tanto, el equipo del NIST está colaborando con DARPA en una aplicación más inmediata:la navegación de un vehículo militar en condiciones de muy poca luz. Un tanque o camión militar que viaje de noche o bajo tierra debe hacerlo sin delatar su presencia a un enemigo. Faros o incluso un rayo débil que rebota en objetos en la oscuridad, están fuera de discusión.

Debido a que los dispositivos de nanocables superconductores pueden registrar las pequeñas cantidades de luz infrarroja media emitida naturalmente por una variedad de objetos en el camino del vehículo, como rocas, tierra, árboles, humanos, animales u otros vehículos:pueden proporcionar una guía de navegación sin avisar a nadie.

Los investigadores del NIST estiman que uno de sus dispositivos podría instalarse en un vehículo en los próximos cinco años. El equipo está trabajando para miniaturizar el sistema de enfriamiento del detector para que pueda caber fácilmente dentro de un tanque o camión.

Los nanocables superconductores podrían, En teoria, detectar la materia oscura si las partículas invisibles interactuaron con la materia ordinaria de tal manera que generen fotones de infrarrojos medios. Pero debido a que estas interacciones son raras, los investigadores tendrían que construir detectores de nanocables mucho más grandes para ver esta interacción en escalas de tiempo razonables.