Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Doorbraak bij supergeleidende lichtdetectoren

Een team van Nederlandse (universiteiten van Leiden en Eindhoven) en Zwitserse onderzoekers is erin geslaagd om het oppervlak van een supergeleidende lichtdetector zeer nauwkeurig af te tasten. Deze nieuwe techniek kan het ontwerp van detectoren drastisch verbeteren. De detectoren hebben allerlei toepassingen, onder meer bij kwantum-informatietechnologie.

Waarnemen van fotonen heeft veel toepassingen

Lichtdetectoren kunnen afzonderlijke lichtdeeltjes – fotonen – waarnemen. Supergeleidende detectoren zijn speciaal geschikt voor dit doeleinde, omdat ze snel en betrouwbaar reageren op binnenkomend licht. Deze detectoren zijn de afgelopen jaren dan ook erg populair geworden, zowel in de wetenschap als in technologische toepassingen. Voorbeelden zijn communicatie tussen ruimtesondes en monitoring van kankertherapieën. 

De crystoaat die voor de experimenten is gebruikt. Midden bovenaan het venster waardoor het licht een koude ruimte binnenkomt. De supergeleidende detectoren werken alleen bij hele lage temperaturen.

Minder gevoelige plekken

‘Het probleem bij supergeleidende lichtdetectoren is echter dat ze niet ieder foton dat binnenkomt, ook echt waarnemen’, vertelt Jelmer Renema, die vanuit de Universiteit Leiden betrokken is bij het onderzoek. ‘Tot nu toe was onduidelijk waarom dat zo is. De onderzoekers hebben nu vastgesteld wat deze beperking veroorzaakt: bepaalde delen van de detector zijn minder goed in het waarnemen van lichtdeeltjes dan andere. Als een foton deze minder gevoelige plekken raakt, is de kans aanwezig dat de detector het deeltje niet waarneemt.’

Nanodraad

In de lichtdetector zit een platte nanodraad, van zo’n 5 miljardsten van een meter dik, en 100 miljardsten van een meter breed. Deze draad zit heel precies opgevouwen, zodat hij een nauw opeengepakt, slingerend patroon vormt. Als een foton de draad raakt, ontstaat er plaatselijk een kleine spanningspiek die de detector razendsnel opmerkt. De onderzoekers ontdekten dat de randen van de draad gemakkelijker een foton detecteren dan het midden van de draad. Dat komt doordat er zich een klein draaikolkje van elektrische stroom moet vormen aan de rand van de draad, voordat detectie mogelijk is. Als het foton direct op de plek valt waar dit moet gebeuren, is het proces efficiënter dan als het foton ergens anders valt.

Belichtingstechniek

Het onderzoeksteam kwam tot deze conclusie door het oppervlak van de detector af te scannen met een speciaal voor dit onderzoek ontwikkelde belichtingstechniek. Zij belichtten de detector met twee verschillende soorten licht (polarisaties). Vervolgens trokken ze de resultaten van deze twee metingen van elkaar af. Zo ontstaat een beeld met een veel hoger contrast dan gebruikelijk, waardoor de onderzoekers details waar kunnen nemen die eerder niet te zien waren.

Het onderzoek is uitgevoerd door wetenschappers van FOM, de Universiteit Leiden, de Technische Universiteit Eindhoven en de Universiteit van Zurich, als onderdeel van het FOM-programma ‘Nanoscale Quantum Optics’.

Kwantumtoepassingen

Supergeleidende lichtdetectoren spelen een belangrijke grote rol bij kwantumcommunicatie, een versleutelde communicatietechniek die toekomstige quantumcomputers ook kunnen gebruiken. In dit netwerk worden fotonen met een geheime kwantumtoestand verzonden. Dit maakt onder meer versleutelde communicatie mogelijk. De lichtdetectoren maken dit kwantumnetwerk sneller. Het is nu al mogelijk om systemen voor zo’n netwerk te kopen.
De verwachting is dat het detecteren van fotonen ook een belangrijk onderdeel zal vormen van de kwantumcomputer zelf. Die rekent totaal anders en veel sneller dan de klassieke computer, wat kan zorgen voor grote doorbraken op technologisch en medisch gebied. Wetenschappers over de hele wereld proberen als eerste een kwantumcomputer te bouwen.