Da circa 30 anni, gli scienziati hanno utilizzato materiali superconduttori per registrare i più piccoli granelli di luce immaginabili:singoli fotoni, o singole particelle di luce. Però, questi rivelatori, che consistono di fili ultrafreddi solo circa un millesimo del diametro di un capello umano, erano limitati alla registrazione di singoli fotoni alla luce visibile e a lunghezze d'onda leggermente più lunghe, nel vicino infrarosso (IR).

Alterando la composizione di questi nanofili, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno ora dimostrato che i dispositivi possono registrare in modo efficiente singoli fotoni con lunghezze d'onda fino a 10 micrometri (milionesimi di metro), cinque volte più a lungo di quanto fosse possibile in precedenza. Queste invisibili lunghezze d'onda della luce, che ricadono nella parte IR medio dello spettro elettromagnetico (vedi tabella), vengono emessi quando i corpi irradiano calore. Il corpo umano irradia la maggior parte del suo calore a 10 micrometri.

La capacità di rilevare fotoni a lunghezze d'onda del medio IR apre la finestra su vaste nuove opportunità per la ricerca e le applicazioni, compresa una ricerca avanzata di segni chimici di vita su altri pianeti, la navigazione furtiva dei veicoli nel buio pesto, e la ricerca della materia oscura, il materiale invisibile che si ritiene rappresenti circa l'80% della massa dell'universo.

Scienziati della Terra che cercano di capire l'evoluzione e il cambiamento climatico del nostro pianeta, così come gli astronomi alla ricerca di segni di vita oltre il sistema solare, hanno un particolare interesse nel rilevare singoli fotoni nel medio IR. Questo perché molte molecole che possono indicare attività biologica hanno tutte una speciale "impronta digitale":la loro esistenza e abbondanza possono essere identificate dalle lunghezze d'onda specifiche della luce IR media che assorbono.

Gli astronomi alla ricerca di indizi di attività biologica oltre il sistema solare registrano la luce straordinariamente debole di stelle lontane che filtra attraverso l'atmosfera di un pianeta in orbita. Se quell'atmosfera contiene possibili segni chimici di vita, compreso il vapore acqueo, diossido di carbonio, ossigeno, ozono, metano, e protossido di azoto:l'atmosfera assorbirà i fotoni del medio IR dallo spettro di luce ricevuto dai telescopi in orbita attorno alla Terra. Sebbene i telescopi spaziali utilizzino già rivelatori di fotoni nel medio infrarosso convenzionale per discernere tali assorbimenti, gli strumenti mancano della precisione dei rivelatori a singolo fotone, che può essere critico quando i livelli di luce sono bassi.

supponiamo, ad esempio, quel 10, 000 fotoni emessi dalla stella viaggiano attraverso l'atmosfera di un pianeta. (C'è un'incertezza di circa l'1%, o 100 fotoni, in quel numero di fotoni.) Se quell'atmosfera contiene anidride carbonica, la sua presenza si presenterebbe come un tuffo di circa 500 fotoni a una particolare lunghezza d'onda dell'infrarosso medio. I fotoni che passano fino in fondo e che raggiungono un rivelatore a bordo di un telescopio in orbita attorno alla Terra innescano un flusso di elettroni che viene amplificato per leggere il segnale.

I rivelatori di fotoni convenzionali hanno un componente di rumore aggiuntivo associato agli amplificatori elettronici. Se il rumore prodotto dagli amplificatori produce un segnale spurio di 500 elettroni, c'è un grosso problema:il rumore è grande quanto il segnale (una caduta di 500 elettroni dovuta all'anidride carbonica nell'atmosfera del pianeta).

In contrasto, i rivelatori a nanofili superconduttori hanno un rumore di lettura molto più basso. Quando un singolo fotone viene assorbito, la superconduttività viene temporaneamente distrutta nel dispositivo e viene generato un piccolo impulso di corrente che può essere facilmente misurato. Altri lavori hanno dimostrato che questa tecnica di lettura può dare origine a un falso clic meno di 1 volta al giorno.

Questi rivelatori a fotone singolo sono anche stabili per lunghi periodi di tempo, un ulteriore vantaggio per molti studi astronomici:le osservazioni delle atmosfere planetarie richiedono in genere rilevamenti su diverse orbite complete.

I nanofili, che hanno un diametro di soli 50-100 nanometri, sono fabbricati da sottili film di siliciuro di tungsteno, un composto di tungsteno e silicio. Raffreddato a pochi gradi sopra lo zero assoluto, è superconduttore. Ciò significa che gli elettroni nei fili devono assorbire solo una piccola quantità di energia da un fotone in ingresso per generare un segnale elettrico. La bassa temperatura limita anche il rumore elettronico casuale nei rivelatori, che è importante quando si rilevano livelli di luce così bassi.

Una delle sfide principali nel tentativo di rilevare i fotoni nel medio IR è che ogni particella di luce IR trasporta molta meno energia di un fotone a luce visibile. Per compensare la minore energia, Il ricercatore del NIST Varun Verma ei suoi colleghi hanno ridotto la densità degli elettroni nei fili disponibili per assorbire i fotoni. Con meno elettroni disponibili, la frazione dell'energia totale del fotone assorbita da un qualsiasi elettrone è probabile che sia più alta, aumentando la probabilità che l'elettrone abbia energia sufficiente per attraversare il gap superconduttore e generare un segnale quando i fotoni IR colpiscono il rivelatore.

Il team ha limitato il numero di elettroni aumentando la quantità di silicio rispetto al tungsteno nei nanofili. (Questo perché il silicio ha meno elettroni liberi ed è quindi un conduttore più scadente del tungsteno.) Un rapporto tra due parti di silicio e tre parti di tungsteno ha funzionato meglio, i ricercatori hanno scoperto.

In una recente edizione di Fotonica APL , Varun e i suoi colleghi del Jet Propulsion Laboratory della NASA, MIT, e la Lancaster University nel Regno Unito hanno riferito che è possibile osservare una saturazione delle lunghezze d'onda dell'efficienza quantistica interna fino a 10 micrometri nei nanofili. Si prevede che, con rifiniture nel design, l'efficienza di rilevamento potrebbe essere molto vicina al 100%.

Per creare un rivelatore di nanofili abbastanza grande da rilevare i fotoni nel medio infrarosso dalla debole luce delle stelle, i ricercatori del NIST devono dimostrare che i nanofili possono coprire un'area abbastanza grande da riempire una telecamera IR progettata per le osservazioni del telescopio. Quel lavoro è in corso.

Nel frattempo, il team del NIST sta collaborando con DARPA su un'applicazione più immediata:la navigazione di un veicolo militare in condizioni di bassissima luminosità. Un carro armato o un camion militare che viaggia di notte o sottoterra deve farlo senza tradire la sua presenza a un nemico. fari, o anche un debole raggio che rimbalza sugli oggetti nell'oscurità, sono fuori questione.

Poiché i dispositivi a nanofili superconduttori possono registrare le minuscole quantità di luce a medio infrarosso emessa naturalmente da un assortimento di oggetti nel percorso del veicolo, come rocce, suolo, alberi, umani, animali o altri veicoli:possono fornire indicazioni di navigazione senza avvisare nessuno.

I ricercatori del NIST stimano che uno dei loro dispositivi potrebbe essere installato su un veicolo entro i prossimi cinque anni. Il team sta lavorando per miniaturizzare il sistema di raffreddamento del rilevatore in modo che possa essere facilmente inserito in un serbatoio o in un camion.

I nanofili superconduttori potrebbero, in teoria, rilevare la materia oscura se le particelle invisibili hanno interagito con la materia ordinaria in modo tale da generare fotoni nel medio IR. Ma poiché tali interazioni sono rare, i ricercatori dovrebbero costruire rivelatori di nanofili molto più grandi per vedere questa interazione in tempi ragionevoli.