Depuis une trentaine d'années, les scientifiques ont utilisé des matériaux supraconducteurs pour enregistrer les plus petites particules de lumière imaginables - des photons individuels, ou de simples particules de lumière. Cependant, ces détecteurs, qui se composent de fils ultrafroids seulement environ un millième du diamètre d'un cheveu humain, étaient limités à l'enregistrement de photons uniques à la lumière visible et à des longueurs d'onde légèrement plus longues, dans le proche infrarouge (IR).

En modifiant la composition de ces nanofils, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues ont maintenant démontré que les appareils peuvent enregistrer efficacement des photons uniques qui ont des longueurs d'onde allant jusqu'à 10 micromètres (millionièmes de mètre), cinq fois plus longtemps qu'auparavant. Ces longueurs d'onde invisibles de la lumière, qui se situent dans la partie IR moyen du spectre électromagnétique (voir graphique), sont émis lorsque les corps émettent de la chaleur. Le corps humain rayonne la majorité de sa chaleur à 10 micromètres.

La capacité de détecter des photons aux longueurs d'onde moyennes infrarouges ouvre la fenêtre sur de vastes nouvelles opportunités de recherche et d'applications, y compris une recherche améliorée de signes chimiques de vie sur d'autres planètes, la navigation furtive des véhicules dans l'obscurité totale, et la recherche de la matière noire, le matériau invisible censé représenter environ 80 pour cent de la masse de l'univers.

Des scientifiques de la Terre essayant de comprendre l'évolution et le changement climatique de notre planète, ainsi que des astronomes à la recherche de signes de vie au-delà du système solaire, ont un intérêt particulier pour la détection de photons individuels dans l'IR moyen. C'est parce que de nombreuses molécules qui peuvent indiquer une activité biologique ont toutes une "empreinte digitale" spéciale - leur existence et leur abondance peuvent être identifiées par les longueurs d'onde spécifiques de la lumière infrarouge moyenne qu'elles absorbent.

Les astronomes à la recherche d'indices d'activité biologique au-delà du système solaire enregistrent la lumière extraordinairement faible d'étoiles lointaines filtrant à travers l'atmosphère d'une planète en orbite. Si cette atmosphère contient des signes chimiques de vie, y compris de la vapeur d'eau, gaz carbonique, oxygène, ozone, méthane, et le protoxyde d'azote :l'atmosphère absorbera les photons infrarouges moyens du spectre de la lumière reçue par les télescopes en orbite autour de la Terre. Bien que les télescopes spatiaux utilisent déjà des détecteurs de photons infrarouges moyens conventionnels pour discerner ces absorptions, les instruments n'ont pas la précision des détecteurs à photon unique, ce qui peut être critique lorsque les niveaux de lumière sont faibles.

Supposer, par exemple, que 10, 000 photons émis par l'étoile voyagent dans l'atmosphère d'une planète. (Il y a une incertitude d'environ 1 %, ou 100 photons, dans ce nombre de photons.) Si cette atmosphère contient du dioxyde de carbone, sa présence se manifesterait par un creux d'environ 500 photons à une longueur d'onde particulière de l'IR moyen. Les photons qui traversent tout le trajet et qui parviennent à un détecteur à bord d'un télescope en orbite terrestre déclenchent un flux d'électrons qui est amplifié afin de lire le signal.

Les détecteurs de photons conventionnels ont une composante de bruit supplémentaire associée aux amplificateurs électroniques. Si le bruit produit par les amplificateurs produit un signal parasite de 500 électrons, il y a un gros problème :le bruit est tout aussi important que le signal (une baisse de 500 électrons due au dioxyde de carbone dans l'atmosphère de la planète.)

En revanche, les détecteurs à nanofils supraconducteurs ont un bruit de lecture beaucoup plus faible. Lorsqu'un seul photon est absorbé, la supraconductivité est temporairement détruite dans l'appareil et une petite impulsion de courant est générée qui peut être facilement mesurée. D'autres travaux ont montré que cette technique de lecture peut donner lieu à un faux clic moins d'1 fois par jour.

Ces détecteurs monophotoniques sont également stables sur de longues périodes de temps, un bonus supplémentaire pour de nombreuses études astronomiques :les observations d'atmosphères planétaires nécessitent généralement des détections sur plusieurs orbites complètes.

Les nanofils, qui ont un diamètre de seulement 50 à 100 nanomètres, sont fabriqués à partir de films minces de siliciure de tungstène, un composé de tungstène et de silicium. Refroidi à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, c'est supraconducteur. Cela signifie que les électrons dans les fils n'ont besoin d'absorber qu'une infime quantité d'énergie d'un photon entrant pour générer un signal électrique. La basse température limite également les bruits électroniques aléatoires dans les détecteurs, ce qui est important lors de la détection de niveaux de lumière aussi faibles.

L'un des principaux défis pour essayer de détecter les photons à infrarouge moyen est que chaque particule de lumière infrarouge transporte beaucoup moins d'énergie qu'un photon de lumière visible. Pour compenser la baisse d'énergie, Le chercheur du NIST Varun Verma et ses collègues ont réduit la densité d'électrons dans les fils disponibles pour absorber les photons. Avec moins d'électrons disponibles, la fraction de l'énergie photonique totale absorbée par un électron est susceptible d'être plus élevée, augmentant la probabilité que l'électron ait suffisamment d'énergie pour traverser l'espace supraconducteur et générer un signal lorsque les photons IR frappent le détecteur.

L'équipe a limité le nombre d'électrons en augmentant la quantité de silicium par rapport au tungstène dans les nanofils. (C'est parce que le silicium a moins d'électrons libres et est donc un conducteur plus pauvre que le tungstène.) Un rapport de deux parties de silicium pour trois parties de tungstène a mieux fonctionné, les chercheurs ont trouvé.

Dans une édition récente de Photonique APL , Varun et ses collègues du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, MIT, et l'Université de Lancaster au Royaume-Uni ont signalé qu'il est possible d'observer une saturation des longueurs d'onde internes d'efficacité quantique jusqu'à 10 micromètres dans les nanofils. Il est prévu que, avec des raffinements à la conception, l'efficacité de détection pourrait être très proche de 100 %.

Pour créer un détecteur à nanofils suffisamment grand pour détecter les photons infrarouges moyens à partir de la faible lumière des étoiles, les chercheurs du NIST doivent démontrer que les nanofils peuvent couvrir une surface suffisamment grande pour remplir une caméra infrarouge conçue pour les observations au télescope. Ce travail est en cours.

Pendant ce temps, l'équipe du NIST collabore avec la DARPA sur une application plus immédiate :la navigation d'un véhicule militaire dans des conditions de très faible luminosité. Un char ou un camion militaire circulant de nuit ou sous terre doit le faire sans trahir sa présence à un ennemi. Phares, ou même un faible faisceau rebondissant sur des objets dans l'obscurité, sont hors de question.

Parce que les dispositifs à nanofils supraconducteurs peuvent enregistrer les infimes quantités de lumière infrarouge moyenne émise naturellement par un assortiment d'objets sur le trajet du véhicule, comme des roches, sol, des arbres, humains, animaux ou autres véhicules - ils peuvent fournir des conseils de navigation sans avertir personne.

Les chercheurs du NIST estiment qu'un de leurs appareils pourrait être installé sur un véhicule d'ici cinq ans. L'équipe travaille à miniaturiser le système de refroidissement du détecteur afin qu'il puisse facilement s'intégrer à l'intérieur d'un réservoir ou d'un camion.

Les nanofils supraconducteurs pourraient, en théorie, détecter la matière noire si les particules invisibles interagissaient avec la matière ordinaire de manière à générer des photons IR moyen. Mais parce que de telles interactions sont rares, les chercheurs devraient construire des détecteurs de nanofils beaucoup plus grands pour voir cette interaction sur des échelles de temps raisonnables.