Investigadors de l'ICFO superen un obstacle en la detecció de fotons individuals amb materials 2D girats
En el seu estudi sobre materials bidimensionals estratificats, els investigadors de l'ICFO han aconseguit observar una anomalia, una transició inesperada a l'estat del sistema que ha estat provocat per llum. Aquesta anomalia ha sigut el resultat d’una sensibilitat a nivell de fotó individual amb propietats extraordinàries que no havien estat accessibles abans: la capacitat de detectar fotons de longitud d'ona llarga (fins a l'infraroig mitjà) a temperatures relativament altes.
Els resultats d'aquestes propietats tan buscades, publicades a Science, obren la porta a una àmplia gamma d'aplicacions, des de la bioimatge, l'astronomia observacional fins a les tecnologies quàntiques.
La capacitat de detectar fotons individuals (és a dir, els paquets d'energia més petits que constitueixen la radiació electromagnètica) en el rang infraroig ha sigut de fa anys una necessitat urgent en nombrosos camps, des de la presa d'imatge mèdica i l'astrofísica, fins a les tecnologies quàntiques emergents. En astronomia observacional, per exemple, la llum d'objectes celests distants pot ser extremadament tènue i requereix tenir instruments amb una sensibilitat excepcional a l'infraroig mitjà. De la mateixa manera, en la comunicació quàntica a l'espai lliure —on els fotons individuals han de viatjar a través de grans distàncies— operar a l'infraroig mitjà pot proporcionar avantatges clau en la claredat del senyal.
L'ús generalitzat de detectors de fotons individuals en aquest rang es veu realment limitat per la necessitat de sistemes criogènics grans, costosos i d’alt consum energètic per mantenir la temperatura dels dispositius per sota 1 grau Kelvin. Això dificulta la integració dels detectors resultants als circuits fotònics moderns, la columna vertebral de les tecnologies de la informació actuals.
Un equip internacional d’investigadors, liderat per l’ICFO, ha demostrat una manera de superar aquesta limitació. Han utilitzat materials bidimensionals (amb un gruix de només un àtom) per detectar fotons individuals de longitud d'ona llarga (fins a l'infraroig mitjà) a temperatures relativament altes (al voltant de 25 graus Kelvin).
Aquesta fita ha despertat l'interès de l'Agència Espacial Europea (ESA), que està en cerca d’aquest tipus de detectors per a l'exploració espacial. Els investigadors de l'ICFO, el Dr. Krystian Nowakowski, Dr. Hitesh Agarwal, Dr. Julien Barrier, Dr. David Barcons Ruiz, Dr. Geng Li, Riccardo Bertini, Matteo Ceccanti, Dr. Iacopo Torre, Dr. Antoine Reserbat-Plantey, dirigits pel Dr. Roshan Krishna Kumar i el Prof. ICREA del ICFO Frank Koppens, en col·laboració amb el Prof. Pablo Jarillo-Herrero, investigador i professor de l'Institut Tecnològic de Massachusetts (MIT) i professor convidat distingit de l'ICFO, així com investigadors de la Universitat de Manchester, la Universitat d'Anvers, entre d'altres, han informat avui dels seus resultats a la revista Science.
Biestabilitat: un nou mecanisme per a la detecció de fotons individuals
"Al nostre grup, combinem diferents materials 2D. Els apilem, els girem i observem què passa. I, de vegades, sorgeixen sorpreses", comenta Frank Koppens, Prof. ICREA de l'ICFO, autor sènior de l'estudi i expert en materials 2D des de fa molts anys.
Una lleugera torsió entre les capes d'aquests materials 2D indueix un patró d'interferència conegut com a patró moiré, que modifica les propietats dels electrons al material. S'han observat diverses propietats exòtiques en aquestes xarxes moiré, com ara la superconductivitat o el magnetisme orbital. En aquest treball, l'ICFO, juntament amb l'equip internacional, ha afegit una altra propietat exòtica a la llista: un fenomen conegut com a biestabilitat. La biestabilitat permet que un sistema es mantingui en dos estats diferents sota les mateixes condicions externes, com un interruptor de llum que pot romandre estable tant a la posició d'encès com a la d'apagat.
L'equip ha demostrat que la biestabilitat pot servir com un nou mecanisme per a la detecció de fotons individuals, una d'aquelles sorpreses que descriu Koppens. "Vam observar que el material no es comportava com esperàvem", recorda. "Així que vam pensar: 'Il·luminem-ho una mica i veiem què passa'. Va ser llavors quan, de sobte, vam observar una sensibilitat extrema a la il·luminació". I com més aprofundien, més clar es feia que el material responia a fotons individuals.
Pel que fa als resultats obtinguts a l'experiment, el professor Jarillo-Herrero destaca: "Aquest experiment demostra el gran potencial dels dispositius quàntics de moiré, no només en termes de ciència fonamental, sinó també per a noves aplicacions en tecnologies quàntiques".
Fotons individuals: la gota que va fer vessar el got
El detector en si és estructuralment simple. Consisteix en una bicapa de grafè (una capa d'àtoms de carboni d'un àtom de gruix, que presenta propietats físiques rellevants) intercalada entre capes de nitrur de bor hexagonal (hBN), un altre material bidimensional que actua com a escut protector. Tot i que soni simple el “construir el dispositiu va ser complicat”, explica el Dr. Hitesh Agarwal, primer coautor de l'estudi, principalment perquè aconseguir l'alineació precisa entre el grafè bicapa i l'hBN només va tenir una taxa d'èxit del 50%. "Al final, aconseguim resoldre'l gràcies a un disseny acurat ia les lliçons apreses en experiments anteriors", afegeix.
Aleshores, com detecta aquest dispositiu fotons individuals? Intuïtivament, la resposta es pot comprendre amb una metàfora. Imaginem una enorme caixa buida sobre una taula i posem un grapat de grans d'arròs (o gotes d'aigua) a dins. No passa res. Però què passa si seguim afegint més i més arròs? Amb el temps, el pes es tornarà excessiu i la taula s'esfondrarà.
Al laboratori, els investigadors van dissenyar un sistema a la vora del col·lapse. "En lloc de grans d'arròs, tenim corrent elèctric fluint", afirma el Dr. Krystian Nowakowski, primer coautor de l'article. "I quan s’arriba al punt crític, el dispositiu no es trenca, sinó que canvia sobtadament d'un estat estable a un altre. Quan s'absorbeix un sol fotó, és com el gra d'arròs o la gota que fa vessar el got: desencadena la transició, i això és el que detectem".
Però com exactament un sol fotó inclina el sistema? "És una cosa que a tots ens encantaria saber", admet el Dr. Nowakowski. "Tenim algunes hipòtesis per ara, però necessitem fer més experiments per poder discernir entre elles". Ara com ara, haurem de conviure amb el misteri.
El que sí que és clar és que aquest mecanisme difereix fonamentalment dels processos convencionals basats en superconductors o semiconductors. Va ser precisament aquest mecanisme subjacent el que va permetre al dispositiu detectar fotons de longitud d'ona llarga (fins a l'infraroig mitjà) a temperatures relativament altes (al voltant de 25 graus Kelvin). "El singular mecanisme físic que sustenta l’arquitectura del nostre detector ens permet superar les limitacions fonamentals que frenaven l’avenç de les tecnologies anteriors", comparteix el Dr. Krishna Kumar, co-supervisor del treball.
L'equip està centrat ara a compactar el sistema i augmentar encara més la temperatura de funcionament, ja que aquest és el factor decisiu per a l'ús d'un detector determinat. Tot i això, molts altres factors influeixen a l'hora de determinar si una tecnologia determinada es tornarà pràctica. Potser aquest nou mètode per detectar fotons individuals no és útil per estudiar galàxies distants, molècules mèdicament rellevants o portadors d'informació quàntica, o potser es converteix en un punt d'inflexió.
Acknowledgements:
PJH acknowledges support by AFOSR grant FA9550-21-1-0319, the Gordon and Betty Moore Foundation’s EPiQS Initiative through Grant GBMF9463, the Ramon Areces Foundation, and the ICFO Distinguished Visiting Professor program. F.H.L.K. acknowledges support from the ERC TOPONANOP (726001), the government of Spain (PID2019-106875GB-I00; Severo Ochoa CEX2019-000910-S [MCIN/ AEI/10.13039/501100011033], PCI2021-122020-2A funded by MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033), the "European Union NextGenerationEU/PRTR (PRTR-C17.I1), Fundació Cellex, Fundació Mir-Puig, and Generalitat de Catalunya (CERCA, AGAUR, 2021 SGR 01443). Furthermore, the research leading to these results has received funding from the European Union’s Horizon 2020 under grant agreement no. 881603 (Graphene flagship Core3) and 820378 (Quantum flagship). This material is based upon work supported by the Air Force Office of Scientific Research under award number FA8655-23-1-7047. Any opinions, findings, and conclusions or recommendations expressed in this material are those of the author(s) and do not necessarily reflect the views of the United States Air Force. J.B. acknowledges support from the European Union’s Horizon Europe program under grant agreement 101105218. R.S., B.J., M.V.M. and L.C. acknowledge support from Research Foundation-Flanders (FWO) research projects G0A5921N and 11E5821N. H.A., K.N. and R.B. acknowledge funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under Marie Skłodowska-Curie grant agreement no. 665884, 713729 and 847517, respectively. V.F. and S.S acknowledge support from EPSRC Grants EP/S019367/1, EP/P026850/1, and EP/N010345/1; British Council project 1185409051. D.B.R. acknowledges funding from the Secretaria d’Universitats i Recerca del Departament d’Empresa i Coneixement de la Generalitat de Catalunya, as well as the European Social Fund (L’FSE inverteix en el teu futur)-FEDER. R. K. K acknowledges funding by MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033 and by the “European Union NextGenerationEU/PRTR" PCI2021-122020-2A within the FLAG-ERA grant [PhotoTBG], by ICFO, RWTH Aachen and ETHZ/Department of Physics, and support from the Ramon y Cajal Grant RYC2022-036118-I funded by MICIU/AEI/10.13039/501100011033 and by “ESF+”. R.B. acknowledges funding from the European Union’s Horizon H2020 under the Marie Sklodowska-Curie grant agreements No 847517.