Neuer Detektor aus der Nanotechnologie unterstützt Astronomen

Ein neuer hochempfindlicher Detektor kann die Energie einzelner Photonen mit einer Genauigkeit messen, die für zukünftige Weltraumteleskope entscheidend ist.

SEM-Aufnahme des Titan-Nanodrahtes mit Niobkontakten
SEM-Aufnahme des Titan-Nanodrahtes mit Niobkontakten

Piscataway, Pasadena (USA) - Damit Teleskope in die entferntesten Winkel des Universums vordringen können, sind gleich mehrere Hindernisse zu umgehen. So wird das meiste sichtbare Licht auf seinem weiten Weg von kosmischen Staubwolken absorbiert, während der infrarote Anteil nicht durch die Erdatmosphäre dringen kann. Daher werden Teleskope, die kosmische Objekte im infraroten Bereich beobachten sollen, in den Weltraum gebracht. Doch ein Problem bleibt bestehen: Um das schwache Licht des interessanten fernen Infrarots beobachten zu können, bedarf es Detekoren, die mindestens 100 bis 1000 mal empfindlicher sind als bisher verfügbare.

Forscher um Michael Gershenson präsentierten nun einen Detektor, der auch extrem schwaches infrarotes Licht messen kann. Kernstück des so genannten Nano-Bolometers ist ein supraleitenden Titandraht von wenigen hundert Nanometern Länge. Kühlt man den Draht ab, wird er unterhalb einer bestimmten Temperatur zum Supraleiter und sein elektrischer Widerstand verschwindet nahezu vollständig. Umgekehrt steigt der Widerstand stark an, wenn man den Supraleiter erhitzt. Dieses temperaturabhängige Verhalten des elektrischen Widerstandes nutzten die Forscher zur Detektion des infraroten Lichtes.

Die Energie des Lichtes trifft dabei in einzelnen "Portionen", den Photonen, auf den Draht. Als Folge erhitzt sich dieser für eine kurze Zeit, wodurch der elektrische Widerstand steigt. Allerdings ist die Energie eines einzelnen Photons aus dem fernen Infrarot winzig - etwa 250 mal geringer als die eines Photons aus dem ultravioletten Licht. Die Temperaturänderung im Draht, und damit die Veränderung des elektrischen Widerstands, ist trotzdem groß genug, um gemessen werden zu können. Hierfür wird eine hochempfindliche Supraleitende Quanteninterferenzeinheit (SQUID) verwendet.

Aufgrund der bisherigen Ergebnisse sind die Forscher optimistisch, zukünftig bis zu 10.000 Photonen aus dem fernen Infrarot pro Sekunde einzeln detektieren zu können. Solch ein Detektor würde dann beispielsweise in der geplanten SAFIR-Mission der NASA zum Einsatz kommen.