(English below Dutch)

Wetenschappers gebruiken supergeleidende detectoren (MKIDs) om losse fotonen vanaf exoplaneten in te vangen. MKIDs monitoren continu hun eigen kinetische inductie, die afhangt van de energie van een invallend foton. SRON-onderzoekers hebben nu de spectrale resolutie meer dan verdubbeld door veel van de weggelekte energie opnieuw te vangen. Publicatie in Physical Review Applied. 

In een supergeleider op lage temperatuur leven de meeste elektronen in paren. Een wisselstroom versnelt en vertraagt deze paren, waarmee ze een bijzonder verschijnsel opwekken: kinetische inductie. Wanneer een foton op een supergeleider invalt, baant de energie zich als een waterval door het materiaal, waarbij hij duizenden elektronparen opbreekt. Een lagere dichtheid paren betekent een hogere kinetische inductie.

Wetenschappers gebruiken dit verschijnsel om losse fotonen van zichtbaar en nabij-infraroodlicht te detecteren, bijvoorbeeld van exoplaneten, door supergeleidende enkel-foton-detectoren te bouwen in de vorm van zogenoemde Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs). Deze detectoren meten continu de kinetische inductie van hun materiaal, zodat het opvalt als een foton invalt. Daarbij wordt ook meteen de golflengte bepaald, zodat elke pixel een spectrum kan opmeten. Pieter de Visser van SRON Netherlands Institute for Space Research en zijn collega’s hebben nu het ontwerp van MKIDs aangepast waarmee ze een tweeënhalf maal zo hoge nauwkeurigheid halen om de golflengte van een foton te meten.

Conventionele enkel-foton-detectoren bestaan uit supergeleidende circuitjes, aangebracht op een dikke (>300 μm) silicium of saffieren substraat. De spectrale resolutie van deze detectoren is gelimiteerd, omdat een deel van de oorspronkelijke energie van het invallende foton weglekt in het substraat via akoestische golven—fononen—voordat het wordt geregistreerd. Dit energieverlies vergroot de statistische variatie van het kinetische inductiesignaal dat wordt gebruikt om het foton te detecteren, waardoor het spectrum breder wordt.

In hun aangepaste apparaat vervangen De Visser en zijn collega’s het substraat met een dun (110 nm) siliciumnitride membraan. Ze laten zien dat fononen die ontsnappen vanuit de supergeleidende draad naar dit membraan, weer terugkaatsen vanaf de onderkant van het membraan naar de supergeleider. Daar maken ze hun werk af door meer elektronparen op te breken. De onderzoekers bereiken een oplossend vermogen van 52 en 19 voor respectievelijk zichtbaar en nabij-infrarode fotonen, tegenover 21 en 10 bij conventionele MKIDs.

Nu staan er twee nieuwe uitdagingen op de agenda. Ten eerste om een nog hogere spectrale resolutie te bereiken via betere invanging van ontsnapte fononen, met gebruik van zogenoemde fononische kristallen. Ten tweede om deze methode toe te passen op apparaten met veel pixels, om meetinstrumenten te maken die geschikt zijn voor astronomische en biologische toepassingen, zoals het bestuderen van exoplaneet-atmosferen en fluorescentiemetingen aan biologisch materiaal.

Publicatie

Pieter J. de Visser, Steven A. H. de Rooij, Vignesh Murugesan, David J. Thoen, and Jochem J. A. Baselmans, ‘Phonon-trapping enhanced energy resolution in superconducting single photon detectors’, Physical Review Applied

Credit header image: ESA

Bijschrift foto rechts: Om de setup te testen sturen de onderzoekers licht in de MKID (in de samplehouder) via een glasvezelkabel.

Spectral resolution of superconducting single photon detectors more than doubled

Scientist use superconducting detectors (MKIDs) to capture single photons coming from exoplanets. MKIDs constantly monitor their own kinetic inductance, which changes proportionally to the energy of an incoming photon. SRON researchers have now more than doubled their spectral resolution by re-trapping most of the leaked energy. Publication in Physical Review Applied.

In a superconductor at low temperature, most electrons live in pairs. An oscillating current accelerates and decelerates these pairs, giving rise to an effect called kinetic inductance. When a photon strikes a superconductor, its energy cascades through the material, breaking up thousands of electron pairs. A lower density of pairs means a higher kinetic inductance.

Scientists use this property to detect single visible and near-infrared photons, for example from exoplanets, by building superconducting single-photon detectors in the shape of microwave resonators, called Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs). These detectors constantly measure the kinetic inductance of their material and deduce if a photon has hit. And if so, with what wavelength, so that each pixel can also measure a spectrum. Pieter de Visser at SRON Netherlands Institute for Space Research and colleagues have now modified the design of MKIDs to achieve a 2.5-fold increase in the precision with which the device can measure a photon’s wavelength.

Currently, conventional single photon detectors are superconducting circuits, deposited on a thick (>300 μm) silicon or sapphire substrate. The spectral resolution of these detectors is limited, because part of the initial energy from the detected photon can leak away into the substrate through acoustical waves—phonons— before it is registered. This energy loss increases the statistical variance of the kinetic-inductance signal used to detect a photon, which broadens the measured spectrum.

In their redesigned device, De Visser and his colleagues replace the substrate with a thin (110 nm) silicon-nitride membrane. They show that phonons escaping from the superconducting wire into this membrane reflect from the membrane’s bottom surface back into the superconductor. There they finish their job breaking up more electron pairs. The researchers experimentally achieved resolving powers of 52 and 19 for optical and near-infrared photons, respectively. For conventional MKIDs these numbers were 21 and 10.

They now plan to address two challenges. Firstly to reach even higher spectral resolution by stronger phonon-trapping, using so-called phononic crystals. Secondly to apply this method to devices with many pixels, to create instruments suitable for astronomical and biological applications, such as studying exoplanet atmosphere and fluorescence measurements of biological samples.

Publication

Pieter J. de Visser, Steven A. H. de Rooij, Vignesh Murugesan, David J. Thoen, and Jochem J. A. Baselmans, ‘Phonon-trapping enhanced energy resolution in superconducting single photon detectors’, Physical Review Applied