L’équipe a élargi les fils supraconducteurs jusqu’à un dixième de millimètre, simplifiant ainsi la fabrication de ces technologies quantiques pour l’imagerie biomédicale.
Notre quotidien est traversé par les photons, ces briques quantiques de la lumière qui transportent l’information à travers les réseaux quantiques ou les liens de communication spatiale. Pour les technologies de pointe, qu’il s’agisse de l’ordinateur quantique ou de l’imagerie en profondeur, chaque particule compte. « Les photons transportent l’information », a rappelé Kristen Parzuchowski, chercheuse post-doctorale au National Institute of Standards and Technology. « Chaque fois qu’un photon entre dans votre système de mesure, vous devez être capable de le détecter. »
Le défi de la fabrication et la limite des fils nanométriques
Jusqu’à présent, les détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs, connus sous l’acronyme SNSPD, constituaient la meilleure option pour capturer ces particules. Ces dispositifs exploitent la supraconduction, un phénomène où l’électricité circule sans résistance, permettant à des photons individuels de créer de minuscules éclaboussures dans le courant électrique. Ces perturbations déclenchent un signal mesurable.
Cependant, les SNSPD souffraient de contraintes techniques majeures. Ils exigeaient des techniques de fabrication nanométriques hautement spécialisées. Les scientifiques pensaient qu’il était indispensable de maintenir des fils de dimensions réduites pour maximiser l’impact du photon. « L’énergie de votre photon doit briser la supraconduction sur toute la largeur du fil », a expliqué Eli Mueller, chercheur postdoctoral au NIST, cité dans les travaux de l’agence. Il est très difficile d’avoir votre appareil dans un régime où le photon pourrait briser la supraconduction sur une largeur de 100 microns, de sorte que les dispositifs devaient être de l’ordre de centaines de nanomètres de large.
« En règle générale, tout le monde a cherché à fabriquer des fils de plus en plus petits, ce qui rend la fabrication de plus en plus difficile. » Kristen Parzuchowski, chercheuse post-doctorale au National Institute of Standards and Technology
L’innovation des rails supraconducteurs et l’élargissement des fils
Pour contourner ces obstacles, l’équipe du NIST a opté pour une approche audacieuse. Les chercheurs ont élargi les fils supraconducteurs à un dixième de millimètre, soit plus de 100 fois la taille des dispositifs classiques. Pour y parvenir sans perdre en sensibilité, ils ont introduit des rails supraconducteurs le long du fil central. Ces rails acheminent le courant dans la même direction pour générer un champ magnétique qui redistribue le flux électrique et élimine l’accumulation de courant sur les bords, source de signaux parasites appelés comptes noirs.
Cette redistribution du courant permet au milieu du dispositif de transporter davantage de charges qu’auparavant. « Si nous parvenons à faire circuler plus de courant au milieu de notre dispositif que ce qui était accessible auparavant, nous pouvons générer un point chaud sur un fil arbitrairement large », a précisé Eli Mueller selon le rapport de recherche de l’institut. Cette configuration garantit également une insensibilité à la polarisation, ce qui signifie que le détecteur capte le photon quelle que soit l’orientation de son champ électrique.
Perspectives pour l’imagerie biomédicale et la recherche spatiale
Ce résultat ouvre des perspectives concrètes pour des domaines où la détection de la lumière la plus faible s’avère déterminante. Les applications visées incluent l’imagerie biomédicale en profondeur, l’observation astronomique pour la recherche de matière noire et les communications interplanétaires. « Il existe de nombreuses applications où l’on travaille avec de petites poignées de photons », a résumé Kristen Parzuchowski dans les colonnes de Quantum Zeitgeist. Idéalement, vous devez tous les détecter.
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