Por cerca de 30 anos, os cientistas usaram materiais supercondutores para registrar os menores pontos de luz imagináveis ​​- fótons individuais, ou partículas únicas de luz. Contudo, esses detectores, que consistem em fios ultracold com apenas cerca de um milésimo do diâmetro de um cabelo humano, foram limitados a registrar fótons únicos na luz visível e comprimentos de onda ligeiramente mais longos, no infravermelho próximo (IR).

Ao alterar a composição desses nanofios, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas demonstraram agora que os dispositivos podem registrar com eficiência fótons únicos com comprimentos de onda de até 10 micrômetros (milionésimos de metro), cinco vezes mais do que antes possível. Esses comprimentos de onda invisíveis de luz, que se enquadram na parte infravermelha média do espectro eletromagnético (ver gráfico), são emitidos quando os corpos irradiam calor. O corpo humano irradia a maior parte de seu calor a 10 micrômetros.

A capacidade de detectar fótons em comprimentos de onda de infravermelho médio abre uma janela para novas oportunidades de pesquisa e aplicações, incluindo uma busca aprimorada por sinais químicos de vida em outros planetas, a navegação furtiva de veículos na escuridão total, e a busca pela matéria escura, o material invisível que se acredita ser responsável por cerca de 80 por cento da massa do universo.

Cientistas da Terra tentando entender a evolução e as mudanças climáticas do nosso planeta, bem como astrônomos em busca de sinais de vida além do sistema solar, têm um interesse particular na detecção de fótons de infravermelho médio individuais. Isso porque muitas moléculas que podem indicar atividade biológica têm uma "impressão digital" especial - sua existência e abundância podem ser identificadas pelos comprimentos de onda específicos da luz infravermelha média que absorvem.

Astrônomos em busca de indícios de atividade biológica além do sistema solar registram a luz extraordinariamente tênue de estrelas distantes filtrando-se pela atmosfera de um planeta em órbita. Se essa atmosfera contém possíveis sinais químicos de vida, incluindo vapor de água, dióxido de carbono, oxigênio, ozônio, metano, e óxido nitroso - a atmosfera absorverá fótons de infravermelho médio do espectro de luz recebido por telescópios orbitando a Terra. Embora os telescópios baseados no espaço já empreguem detectores de fótons de infravermelho médio convencionais para discernir essas absorções, os instrumentos não têm a precisão de detectores de fóton único, o que pode ser crítico quando os níveis de luz são baixos.

Suponha, por exemplo, aqueles 10, 000 fótons emitidos pela estrela viajam pela atmosfera de um planeta. (Há uma incerteza de cerca de 1 por cento, ou 100 fótons, nesse número de fótons.) Se essa atmosfera contém dióxido de carbono, sua presença apareceria como um mergulho de cerca de 500 fótons em um determinado comprimento de onda de infravermelho médio. Os fótons que passam por todo o caminho e chegam a um detector a bordo de um telescópio orbital da Terra disparam um fluxo de elétrons que é amplificado para ler o sinal.

Os detectores de fótons convencionais têm um componente de ruído extra associado aos amplificadores eletrônicos. Se o ruído produzido pelos amplificadores produz um sinal espúrio de 500 elétrons, há um grande problema:o ruído é tão grande quanto o sinal (uma queda de 500 elétrons devido ao dióxido de carbono na atmosfera do planeta).

Em contraste, os detectores de nanofios supercondutores têm ruído de leitura muito menor. Quando um único fóton é absorvido, a supercondutividade é temporariamente destruída no dispositivo e um pequeno pulso de corrente é gerado e pode ser facilmente medido. Outro trabalho mostrou que esta técnica de leitura pode dar origem a um clique falso menos de 1 vez por dia.

Esses detectores de fóton único também são estáveis ​​por longos períodos de tempo, um bônus adicional para muitos estudos astronômicos:observações de atmosferas planetárias normalmente requerem detecções em várias órbitas completas.

Os nanofios, que têm um diâmetro de apenas 50 a 100 nanômetros, são fabricados a partir de filmes finos de siliceto de tungstênio, um composto de tungstênio e silício. Resfriado a alguns graus acima do zero absoluto, é supercondutor. Isso significa que os elétrons nos fios precisam apenas absorver uma pequena quantidade de energia de um fóton que entra para gerar um sinal elétrico. A baixa temperatura também limita o ruído eletrônico aleatório nos detectores, o que é importante ao detectar níveis tão baixos de luz.

Um dos principais desafios na tentativa de detectar fótons de infravermelho médio é que cada partícula de luz infravermelha carrega muito menos energia do que um fóton de luz visível. Para compensar a baixa energia, O pesquisador do NIST Varun Verma e seus colegas reduziram a densidade dos elétrons nos fios disponíveis para absorver os fótons. Com menos elétrons disponíveis, a fração da energia total do fóton absorvida por qualquer elétron provavelmente será maior, aumentando a probabilidade de que o elétron tenha energia suficiente para cruzar a lacuna supercondutora e gerar um sinal quando os fótons infravermelhos atingirem o detector.

A equipe limitou o número de elétrons aumentando a quantidade de silício em relação ao tungstênio nos nanofios. (Isso porque o silício tem menos elétrons livres e, portanto, é um condutor pior do que o tungstênio.) Uma proporção de duas partes de silício para três partes de tungstênio funcionou melhor, os pesquisadores descobriram.

Em uma edição recente de APL Photonics , Varun e seus colegas do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, MIT, e a Lancaster University, no Reino Unido, relataram que é possível observar uma saturação dos comprimentos de onda da eficiência quântica interna de até 10 micrômetros nos nanofios. É esperado que, com refinamentos no design, a eficiência de detecção pode ser muito próxima de 100%.

Para criar um detector de nanofios grande o suficiente para detectar fótons de infravermelho médio da luz estelar tênue, os pesquisadores do NIST devem demonstrar que os nanofios podem cobrir uma área grande o suficiente para preencher uma câmera infravermelha projetada para observações de telescópio. Esse trabalho está em andamento.

Enquanto isso, a equipe do NIST está colaborando com a DARPA em uma aplicação mais imediata:a navegação de um veículo militar em condições de níveis de luz muito baixos. Um tanque ou caminhão militar viajando à noite ou no subsolo deve fazê-lo sem trair sua presença para um inimigo. Faróis, ou mesmo um feixe fraco refletindo em objetos no escuro, estão fora de questão.

Como os dispositivos supercondutores de nanofios podem registrar as pequenas quantidades de luz infravermelha média emitida naturalmente por uma variedade de objetos no caminho do veículo - como rochas, solo, árvores, humanos, animais ou outros veículos - eles podem fornecer orientação de navegação sem avisar ninguém.

Os pesquisadores do NIST estimam que um de seus dispositivos poderá ser instalado em um veículo nos próximos cinco anos. A equipe está trabalhando para miniaturizar o sistema de resfriamento do detector para que ele caiba facilmente em um tanque ou caminhão.

Os nanofios supercondutores poderiam, em teoria, detectar matéria escura se as partículas invisíveis interagirem com a matéria comum de forma a gerar fótons de infravermelho médio. Mas como essas interações são raras, os pesquisadores teriam que construir detectores de nanofios muito maiores para ver essa interação em escalas de tempo razoáveis.