Los científicos utilizan detectores superconductores (MKID) para capturar fotones individuales procedentes de exoplanetas. Los MKID monitorean constantemente su propia inductancia cinética, que cambia proporcionalmente a la energía de un fotón entrante. Los investigadores del Instituto de Investigación Espacial de los Países Bajos SRON ahora han más que duplicado su resolución espectral al volver a atrapar la mayor parte de la energía filtrada. La investigación fue publicada en Revisión física aplicada .

En un superconductor a baja temperatura, la mayoría de los electrones viven en pares. Una corriente oscilante acelera y desacelera estos pares, dando lugar a un efecto llamado inductancia cinética. Cuando un fotón choca contra un superconductor, su energía cae en cascada a través del material, rompiendo miles de pares de electrones. Una menor densidad de pares significa una mayor inductancia cinética.

Los científicos utilizan esta propiedad para detectar fotones únicos visibles y en el infrarrojo cercano, por ejemplo de exoplanetas, mediante la construcción de detectores superconductores de fotón único en forma de resonadores de microondas, llamados detectores de inductancia cinética de microondas (MKID). Estos detectores miden constantemente la inductancia cinética de su material y deducen si ha impactado un fotón. Y de ser así, con que longitud de onda, para que cada píxel también pueda medir un espectro. Pieter de Visser del Instituto de Investigación Espacial SRON de los Países Bajos y sus colegas ahora han modificado el diseño de los MKID para lograr un aumento de 2,5 veces en la precisión con la que el dispositivo puede medir la longitud de onda de un fotón.

En la actualidad, Los detectores de fotón único convencionales son circuitos superconductores, depositado en un grueso (> 300 μm) sustrato de silicio o zafiro. La resolución espectral de estos detectores es limitada, porque parte de la energía inicial del fotón detectado puede filtrarse hacia el sustrato a través de ondas acústicas (fonones) antes de que se registre. Esta pérdida de energía aumenta la varianza estadística de la señal de inductancia cinética utilizada para detectar un fotón, que amplía el espectro medido.

En su dispositivo rediseñado, De Visser y sus colegas reemplazan el sustrato con una membrana delgada (110 nm) de nitruro de silicio. Muestran que los fonones que escapan del cable superconductor hacia esta membrana se reflejan desde la superficie inferior de la membrana hacia el superconductor. Allí terminan su trabajo rompiendo más pares de electrones. Los investigadores lograron experimentalmente poderes de resolución de 52 y 19 para fotones ópticos e infrarrojos cercanos, respectivamente. Para los MKID convencionales, estos números eran 21 y 10.

Ahora planean abordar dos desafíos. En primer lugar, para alcanzar una resolución espectral aún mayor mediante una captura de fonones más fuerte, utilizando los llamados cristales fonónicos. En segundo lugar, para aplicar este método a dispositivos con muchos píxeles, para crear instrumentos adecuados para aplicaciones astronómicas y biológicas, como el estudio de la atmósfera de exoplanetas y las mediciones de fluorescencia de muestras biológicas.