Süper boyutlu kuantum sensörleri soluk fotonların yakalanmasını kolaylaştırıyor

Günlük yaşamımız ışığın kuantum yapı taşları olan fotonlarla doludur. Kuantum hesaplamadan derin doku görüntülemeye kadar en son teknoloji için her bir fotonun tespit edilmesi önemlidir.

Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nde doktora sonrası araştırmacı olan Kristen Parzuchowski, “Fotonlar bilgi taşıyor” dedi. “Ölçüm sisteminize ne zaman bir foton girse, onu tespit edebilmeniz gerekir.”

Fotonlar, kuantum ağlarında veya derin uzay iletişim bağlantıları üzerinden veri iletebilir. Fotonları yakalamak ve analiz etmek, bilim adamlarının biyomedikal görüntüler oluşturmasına ve evrende karanlık madde aramasına olanak tanır.

Süper iletken nanotel tek foton dedektörleri (SNSPD’ler), tüm bu uygulamalar için fotonları yakalamanın en iyi yoludur. Adından da anlaşılacağı gibi, bireysel fotonları tespit etmek için elektriğin dirençsiz aktığı süperiletkenlik olgusunu kullanıyorlar. Tek ışık parçacıkları, elektrik akımında süperiletkenliği bozan ve ölçülebilir bir elektrik sinyalini tetikleyen küçük sıçramalar oluşturur. NIST, yıllar içinde bu cihazları, gelen fotonların %98’ini tespit edebilecek noktaya kadar büyük ölçüde geliştirdi.

Ancak SNSPD’lerin hala bazı dezavantajları vardır. Tipik olarak oldukça uzmanlaşmış nanometre ölçekli üretim teknikleri gerektirirler. En önemlisi, süper iletken dedektörün kenarları dedektör performansını sınırlar. Daha fazla akım taşıyabilen dedektörlerin daha iyi performans gösterdiği bilinmektedir ancak fabrikasyon kusurları maksimum akışı sınırlamaktadır.

Daha küçük kablolar bir sınıra ulaştığında

NIST araştırmacıları daha büyük düşünmeye karar verdi. Yeni bir Optik NIST araştırmacıları, süperiletken kabloların boyutunu milimetrenin onda birine (tipik SNSPD’lerden 100 kat daha geniş) kadar büyütebileceklerini, böylece malzemenin gerçek performans potansiyelini açığa çıkaracak bir yöntem kullanarak foton dedektörünün tasarımını ve imalatını basitleştirebileceklerini buldular.

Parzuchowski, “Genellikle herkes gittikçe daha küçük teller yapmak için çalıştı, bu da üretimi giderek zorlaştırıyor” dedi.

SNSPD’ler tipik olarak bir okuma devresine bağlı, süper iletken malzemeden yapılmış 100 nanometre genişliğinde bir tel kullanır. Elektrik akımı telin içinden suyun bir nehirden geçmesi gibi akar. Bir foton, nehre çarpan bir kaya gibi tele çarptığında, akımı bozan bir sıcak nokta oluşturur. Bu sıcak nokta, okuma elektroniği tarafından alınan bir voltaj darbesi oluşturur.

NIST doktora sonrası araştırmacısı Eli Mueller, bilim adamlarının SNSPD’lerdeki süper iletken tellerin, fotonun tel boyunca küçük “sıçramasını” en üst düzeye çıkarmak için nano ölçekli olması gerektiğine inandığını belirtti.

“Foton enerjinizin telin tüm genişliği boyunca süperiletkenliği kırması gerekiyor” dedi. “Cihazınızı, fotonun 100 mikron genişliğindeki süperiletkenliği kırabileceği bir rejimde tutmak çok zordur, bu nedenle cihazların yüzlerce nanometre genişliğinde olması gerekiyordu.”

Bu nano ölçekli boyut nedeniyle SNSPD’lerin daha düşük akımlarda çalışması gerekir; bu da düşük enerjili fotonların çok fazla sıçrama yapmadığı ve tespit edilmesinin daha zor olduğu anlamına gelir. Okumalar daha soluk noktalar halindedir. Elektrik akımı da mükemmel bir şekilde davranmıyor: Tel boyunca eşit şekilde akmıyor. Parzuchowski, kusurların aynı zamanda nehir boyunca girdaplar veya girdaplar gibi kenarlar boyunca akımın birikmesine neden olabileceğini ve bu da karanlık sayımlar adı verilen yanlış sinyallere yol açabileceğini ekledi.

Mueller, “Cihazımızın ortasından daha önce erişilebilenden daha fazla akım akmasını sağlayabilirsek, o zaman keyfi olarak geniş bir kablo üzerinde bir sıcak nokta oluşturabiliriz. Ve bu sıcak nokta, size darbeyi veren şeydir,” diye açıkladı. “Süper iletken durum ile normal durum arasındaki geçişe daha da yakınsanız, o zaman hala çok düşük enerjili fotonlara karşı duyarlısınız demektir.”

Bu sorunu nasıl çözebiliriz? Rayları ver.

Bu süper iletken raylar merkezi kabloyu çevreliyor ve akımı aynı yönde çalıştırarak manyetik bir alan oluşturuyor. Rayların manyetik alanı, merkezi telin manyetik alanıyla buluşuyor; birlikte akımın akışını yeniden dağıtırlar; artık kenarlarda akım birikmesi olmaz.

Akım akışının eşitlenmesi, grubun süper iletken telin taşıyabileceği akım miktarını maksimuma çıkarmasına ve telin boyutunu büyütmesine olanak sağladı. Geniş SNSPD’ler aynı zamanda polarizasyona duyarsızdır; Fotonların elektrik alanının “kıpırdadığı” yön ne olursa olsun, dedektör onu algılayabilir. Artık her foton, ekibin kolayca okuyabileceği, daha dikkat çekici bir sıçrama yapıyor.

Parzuchowski, “Yıllardır araştırmacılar bu dedektörlerin optimum performansına yaklaşmaya çalıştı, ancak bunu ne kadar zorlayabileceğiniz hiçbir zaman net değildi. Şimdi aslında içsel performans sınırına ulaşabileceğinizi gösterdik” diye ekledi.

Grubun lideri elektronik mühendisi Marty Stevens, grubun telini milimetrenin onda birine kadar büyüttüğünü ve daha da geniş bir alana gitmenin mümkün olduğunu ekledi.

Geniş SNSPD’lerin nano ölçekli akrabalarıyla aynı %98 verime ulaşıp ulaşamayacağı belli değil; Stevens, daha fazla teste ihtiyaç olduğunu söyledi. Ancak ekip, cihazlarla yeni bir rekora ulaştı; karanlık sayımları bir milyar kat azaldı.

Parzuchowski, “Çok şok ediciydi” diye hatırladı. “Grubumuzdaki diğer kişileri odaya çağırıp onlara ‘Şuna bakın, bu çılgınlık!’ diyorduk.”

Soluk ışık için daha büyük dedektörler

Bu yeni mimarinin üretimi daha basittir ve bu da çok büyük dedektörlerin üretimini kolaylaştıracaktır. Boyut ve hassasiyet, dedektörün daha fazla foton yakalamasına olanak tanır; bu, özellikle ışık kaynaklarının son derece zayıf ve daha az kontrollü olduğu durumlarda tercih edilir.

Bu, bir ışık ışınının insan dokusuna gönderildiği ve dağılan ışığın kan akışını ölçmek için toplandığı yaygın korelasyon spektroskopisi gibi sağlık hizmetleri görüntüleme teknikleri için faydalıdır. Diğer bir uygulama ise, uzak galaksilerden gelen imzaları incelemek için zayıf düşük enerjili ışığın tespit edilmesinin gerekli olduğu astronomidir.

Parzuchowski, “Bir avuç fotonla çalıştığınız birçok uygulama var. İdeal olarak hepsini tespit etmeniz gerekiyor” dedi.