Effizienter und schneller Detektor für IR-Photonen
Mit supraleitenden Nanodrähten wurde eine Systemeffizienz von 93 % erreicht.
Der schnelle und sichere Nachweis einzelner Infrarot-Photonen ist ein wichtiges Forschungsziel, das der faseroptischen Telekommunikation ebenso zugutekommt, wie der Quanteninformationsverarbeitung, der Astronomie oder der Materialwissenschaft. Mit einem neuen Einzelphotonendetektor, der Nanodrähte aus supraleidendem Wolframsilizid enthält, sind Forscher vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder diesem Ziel einen großen Schritt näher gekommen.
Abb.:Eingefärbte elektronenmikroskopische Aufnahme eines Detektormäanders (oben) sowie eines einzelnen Nanodrahtes (unten). (Bild: NIST)
Wie Francesco Marsili und seine Kollegen berichten, erreichte ihr Detektor beim Nachweis von IR-Photonen mit Wellenlängen zwischen 1520 und 1610 nm eine Effizienz von 90 bis 93 %. Seine Dunkelzählrate lag unter einem Photon pro Sekunde, der „Timing Jitter“, mit dem die gemessene Ankunftszeit der Photonen schwankte, war kleiner als 100 ps, während die Totzeit des Detektors kürzer als 100 ns war. Eine vergleichbar hohe Effizienz bei 1500 nm Wellenlänge haben bisher nur die „Transition Edge Sensoren“, jedoch bei einem Timing Jitter von 5 ns und einer Totzeit von 1 µs.
Der neue IR-Photonendetektor weist die Lichtquanten mit Hilfe zahlreicher supraleitender Nanodrähte nach, die parallel geschaltet sind und von einem Strom durchflossen werden, der knapp unterhalb des kritischen Stromes liegt. Wird ein Photon von einem der Drähte absorbiert, so entsteht in ihm ein „heißer“ Fleck, an der Stelle, bei der die Supraleitung zusammenbricht. Daraufhin fließt durch die anderen Drähte ein geringfügig stärkerer Strom, sodass der kritische Strom überschritten wird und auch in diesen Drähten die Supraleitung aufhört. Die starke Widerstandserhöhung verursacht ein messbares elektronisches Signal.
Bisher hatte man die Nanodrähte aus den kristallinen Supraleitern Niobnitrid (NbN) oder Niobtitannitrid (NbTiN) gefertigt, die allerdings bei hoher Temperatur auf Substrate mit perfekt angepasster Gitterstruktur aufgebracht werden mussten. Die dabei auftretenden Probleme führten dazu, dass die aus den NbN- oder NbTiN-Nanodrähten gefertigten Detektoren nur eine Effizienz von etwa 20 % erreichten.
Der von Marsili und seinen Kollegen verwendete Supraleiter Wolframsilizid ist hingegen amorph und lässt sich problemlos und bei tiefer Temperatur auf die Siliziumoxidunterlage auftragen. Dadurch wird es möglich, die 160 nm breiten supraleitenden Nanodrähte auch in komplizierten mäandernden Formen auf die Unterlage zu bringen. So lässt sich nicht nur die Effizienz der Detektoren für den Nachweis einzelner Photonen beträchtlich erhöhen, sondern – durch senkrechte Anordnung zweier Detektormäander – auch unabhängig von der Polarisation der Photonen machen.
Die Forscher bemühen sich, die Effizienz ihrer Detektoren noch zu steigern. Außerdem arbeiten sie an einer kompakteren und transportablen Kühlung der supraleitenden Detektoren, die bei einer Temperatur unterhalb von 1 K betrieben werden müssen. Sie sind zuversichtlich, schon bald Einzelphotonendetektoren auch für das mittlere Infrarot bei Wellenlängen zwischen 2 µm und 5 µm herstellen zu können. Die Toleranz des Wolframsilizids beim Fertigungsprozess eröffnet auch die Möglichkeit, aus den Detektoren komplizierte Anordnungen oder gar Kameras herzustellen.
Rainer Scharf
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