New material set to boost quantum tech and biomedical imaging
Researchers at the Institute for Quantum Computing (IQC) make new material to absorb and control light with unprecedented accuracy
By Naomi Grosman
A new paper from researchers at the Institute for Quantum Computing (IQC) at the University of Waterloo details the fabrication and application of a new material that can capture light and control the location of its absorption with unprecedented accuracy, advancing the development of next-generation photodetectors.
A hundred per cent light absorption is considered impossible but the Quantum Photonic Devices Lab group showed experimentally that this new material absorbed 94 per cent of the light in a spectral range known as the ‘Valley of Death’ where conventional photodetectors do not absorb light very well. This spectral range is of interest for biomedical and quantum applications. The experimental result was very close to the group’s 98 per cent theoretically predicted limit for this design.
“We are leading globally at taking a crack at this; combining material science and semiconductor physics to demonstrate a near-perfect absorber. We are combining different disciplines to make a perfect absorber in semiconductors to create the next generation of photodetectors, and we are one of the world leaders in this effort.”
-Dr. Sasan V. Grayli, the paper’s lead author.
Fabrication facilities at the Quantum-Nano Fabrication and Characterization Facility — a state-of-the-art lab where scientists and engineers build and test materials at nano scale.
Today’s superconducting nanowire single-photon detectors, used in quantum communications and computing, are considered the best when it comes to photodetection efficiency. But they require complex infrastructure and cryogenic setups to operate.
This new material is a step toward making semiconductors a commercially viable competitor to superconducting nanowire single-photon detectors by pushing the limits of how much light can be captured in a device and making them more energy efficient and portable. This would improve the sensitivity of detectors on satellites, drones and in remote locations, expanding the possibilities for quantum communication and sensing technologies.
“You always lose some portion of light due to reflection or other mechanisms and a new material like ours is required to get to near-unity absorption. Since we are designing these devices to absorb almost all the light, the probability of being able to detect the photon will be highly improved. We can also control the location of absorption with unprecedented accuracy, which will enhance the timing resolution of single-photon detectors beyond the physical limit that nature allows.”
-Michael Reimer, IQC Faculty and Professor, Department of Electrical and Computer engineering.
Beyond quantum technology applications, improved light absorption using this new material could also improve cameras that are used in eye-imaging, and classical photodetectors used in biomedical imaging to make cancer detection and treatment more precise.
The paper was published in the June edition of Nano Letters, an American Chemical Society (ACS) publication.
Un nouveau matériau pour les technologies quantiques et l’imagerie biomédicale
Des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique ont fabriqué un nouveau matériau permettant d’absorber et de contrôler la lumière comme jamais auparavant
Par Naomi Grosman
Dans un nouvel article, des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC), à l’Université de Waterloo, décrivent la fabrication et les applications d’un tout nouveau matériau capable de capturer la lumière et d’en contrôler le point d’absorption avec une exactitude sans précédent. C’est là un pas de plus vers la prochaine génération de photodétecteurs.
Si l’on considère que l’absorption à 100 % est impossible, l’équipe du laboratoire de dispositifs photoniques quantiques a néanmoins réussi à faire la démonstration d’un matériau absorbant 94 % de la lumière dans le domaine spectral connu sous le nom de « vallée de la Mort », où les photodétecteurs traditionnels ne sont pas très efficaces. Ce domaine spectral est particulièrement important dans les applications biomédicales et quantiques, et les résultats de l’expérience s’approchent énormément de la limite théorique proposée de 98 % pour son dispositif.
« C’est nous qui sommes en tête de peloton pour combiner la science des matériaux et la physique des semiconducteurs afin de créer un absorbeur presque parfait. Nous allions différentes disciplines dans le but de parfaire les absorbeurs pour les semiconducteurs et d’ouvrir la voie à la prochaine génération de photodétecteurs. Ça nous réussit : nous figurons parmi les pionniers sur la scène internationale. »
– Sasan V. Grayli, auteur principal de l’article
Appareils de fabrication de l’Installation de fabrication et de caractérisation quantiques nanométriques, un laboratoire de pointe où scientifiques et ingénieurs peuvent créer et mettre à l’épreuve différents matériaux à l’échelle nanométrique.
Les détecteurs de photons uniques à nanofil supraconducteur actuellement utilisés dans les communications et l’informatique quantiques sont les meilleurs pour assurer une photodétection efficace, mais ils requièrent aussi une infrastructure complexe et de l’équipement cryogénique.
Repoussant les limites de la capture de lumière dans un format plus écoénergétique et portatif, le nouveau matériau a donc le potentiel de faire des semiconducteurs un compétiteur viable aux détecteurs de photons uniques à nanofil supraconducteur. Il permettrait notamment d’améliorer la sensibilité des détecteurs sur les satellites et drones ainsi que dans les endroits éloignés, offrant par le fait même de nouvelles possibilités pour la communication quantique et les technologies de détection.
« On perd toujours un peu de lumière à cause de la réflexion ou d’autres mécanismes. Pour atteindre une absorption quasi unitaire, il faut quelque chose comme notre matériau; puisque celui-ci est conçu pour absorber presque toute la lumière, la probabilité de notre dispositif de détecter les photons est hautement supérieure. Nous pouvons même contrôler le point d’absorption plus exactement que jamais, ce qui augmente la résolution temporelle des détecteurs de photons uniques au-delà des limites physiques naturelles. »
– Michael Reimer, professeur à l’IQC et au Département de génie électrique et informatique
Outre les applications en technologies quantiques, cette absorption accrue de la lumière pourrait s’avérer utile dans les caméras d’imagerie de l’œil et dans les photodétecteurs classiques d’imagerie biomédicale, domaine où le nouveau matériau a le potentiel d’améliorer la précision de la détection et du traitement des cancers.
L’article a été publié dans l’édition de juin de Nano Letters, une revue de l’American Chemical Society (ACS).