De sensoren zijn de eersten in hun soort en gebaseerd op halfgeleidende nanodraadjes. Hiermee kunnen afzonderlijke lichtdeeltjes met een hoge snelheid, tijdsresolutie en efficiëntie worden gedetecteerd, over een ongekend breed spectrum, van ultraviolet tot nabij-infrarood.

“Een sensor moet heel efficiënt licht kunnen detecteren. Bij toepassingen als een kwantumradar, bewakingscamera’s en nachtelijke operaties, bereiken maar heel weinig lichtdeeltjes - of fotonen - het apparaat”, zegt hoofdonderzoeker Michael Reimer van de Universiteit van Waterloo. “In dat soort gevallen wil je elk foton dat binnenkomt, ook zien”.

Lees verder onder de video.

De onderzoekers hebben een raamwerk van taps toelopende nanodraadjes gemaakt dat fotonen omzet in een elektrische stroom die kan worden versterkt en gedetecteerd. De sensor is zo snel en efficiënt dat hij een enkel foton kan absorberen en detecteren. Bovendien is hij na enkele nanoseconden weer klaar om het volgende foton te absorberen.

Zonnecellen van nanodraadjes

De nanodraadjes zijn ontwikkeld door een team van onderzoekers van de TU/e, onder wie Erik Bakkers en Jos Haverkort van de faculteit Technische Natuurkunde. Zij ontdekten dat de optische kwaliteit toenam als de nanodraadjes werden ge-etst, in plaats van ze van de grond af aan te laten groeien. De zogeheten donkerstroom - de ruis die standaard ontstaat voordat een foton wordt geabsorbeerd - kon op die manier drastisch worden verlaagd, met als resultaat een uitzonderlijk goede signaal-ruisverhouding. Reimer en zijn team hebben de kwantumsensor vervolgens verder ontwikkeld.

“We hebben met nanodraadjes heel efficiënte zonnecellen ontwikkeld om zonlicht om te zetten in stroom. Michael Reimer is actief op het gebeid van kwantumoptica, en heeft een paar van die cellen meegenomen naar Canada en laten zien dat ze ook heel geschikt zijn om afzonderlijke fotonen te detecteren. Dat hadden we eerlijk gezegd niet verwacht”, aldus Bakkers.

De kwantumsensor met zijn robuuste enkele-foton-detectie heeft tal van mogelijke toepassingen. Denk aan remote sensing, het maken van hogesnelheidsopnamen vanuit de ruimte en lange-afstandsbeelden met een hoge 3D-resolutie, en de detectie van singletzuurstof bij het monitoren van kankermedicijnen.

Het raamwerk van halfgeleidende nanodraadjes bereikt zijn grote snelheid, tijdsresolutie en efficiëntie door de kwaliteit van het materiaal en optimalisatie van de vorm en de opstelling van de nanodraadjes. De sensor detecteert een breed lichtspectrum met hoge efficiëntie en tijdsresolutie, en dat alles bij kamertemperatuur. De onderzoekers benadrukken dat de spectrumabsorptie nog verder kan worden verbeterd met andere materialen.

Potentie voor verdere ontwikkelingen

“Wij hebben nanodraadjes van indiumfosfide gebruikt. Gebruik je in plaats daarvan bijvoorbeeld indiumgalliumarsenide, dan rek je de bandbreedte op naar telecommunicatie-golflengtes, met net zulke goede prestaties”, zegt Reimer. 

Zodra het prototype is uitgerust met de geschikte elektronica en draagbare koeling, kan de sensor buiten het laboratorium worden getest. “Een groot scala aan industriële toepassingen en onderzoeksgebieden kan profiteren van een kwantumsensor met deze eigenschappen”, zegt Reimer.

Lees de publicatie in Nature Nanotechnology hier.

Afbeelding boven: Artist’s impression van de interactie tussen enkele foton-pulsen en het raamwerk met nanodraadjes voor fotondetectie. Foto | University of Waterloo