Boven – Header
Boven – Header

Nieuwe kwantumsensor kan kankerbehandeling verbeteren

Onderzoekers van de Technische Universiteit in Eindhoven en de Universiteit van Waterloo in Canada hebben een nieuwe kwantumsensor ontwikkeld voor de detectie van individuele lichtdeeltjes. Daarmee wordt het mogelijk om de kwaliteit van lange-afstands-3D-beelden en het monitoren van kankermedicijnen aanzienlijk te verbeteren.

De sensoren zijn de eerste in hun soort en zijn gebaseerd op halfgeleidende nanodraadjes. Hiermee kunnen afzonderlijke lichtdeeltjes met een hoge snelheid, tijdsresolutie en efficiëntie worden gedetecteerd, over een ongekend breed spectrum, van ultraviolet tot nabij-infrarood.

“Een sensor moet heel efficiënt licht kunnen detecteren. Bij toepassingen als een kwantumradar, bewakingscamera’s en nachtelijke operaties, bereiken maar heel weinig lichtdeeltjes – zogenaamde fotonen – het apparaat”, zegt hoofdonderzoeker Michael Reimer van de Universiteit van Waterloo. “In dat soort gevallen wil je elk foton dat binnenkomt, ook zien”.

De onderzoekers hebben een raamwerk van taps toelopende nanodraadjes gemaakt dat fotonen omzet in een elektrische stroom die kan worden versterkt en gedetecteerd. De sensor is zo snel en efficiënt dat hij een enkel foton kan absorberen en detecteren. Bovendien is hij na enkele nanoseconden weer klaar om het volgende foton te absorberen.

Zonnecellen van nanodraadjes

De nanodraadjes zijn ontwikkeld door een team van onderzoekers van de TU/e, onder wie Erik Bakkers en Jos Haverkort van de faculteit van Technische Natuurkunde. Zij ontdekten dat de optische kwaliteit toenam als de nanodraadjes werden ge-etst, in plaats van ze van de grond af aan te laten groeien. De zogeheten donkerstroom – de ruis die standaard ontstaat voordat een foto wordt geabsorbeerd – kon op die manier drastisch worden verlaagd, met als resultaat een uitzonderlijk goede signaal-ruisverhouding. Reimer en zijn team hebben de quantumsensor vervolgens verder ontwikkeld.

“We hebben met nanodraadjes heel efficiënte zonnecellen ontwikkeld om zonlicht om te zetten in stroom. Michael Reimer is actief op het gebeid van kwantumoptica, en heeft een paar van die cellen meegenomen naar Canada en laten zien dat ze ook heel geschikt zijn om afzonderlijke fotonen te detecteren. Dat hadden we eerlijk gezegd niet verwacht”, aldus Bakkers.

De quantumsensor met zijn robuuste enkele-foton-detectie heeft tal van mogelijke toepassingen. Denk aan remote sensing, het maken van hogesnelheidsopnamen vanuit de ruimte en lange-afstandsbeelden met een hoge 3D-resolutie, en de detectie van singletzuurstof bij het monitoren van kankermedicijnen.

Het raamwerk van halfgeleidende nanodraadjes bereikt zijn grote snelheid, tijdsresolutie en efficiëntie door de kwaliteit van het materiaal en optimalisatie van de vorm en de opstelling van de nanodraadjes. De sensor detecteert een breed lichtspectrum met hoge efficiëntie en tijdsresolutie, en dat alles bij kamertemperatuur. De onderzoekers benadrukken dat de spectrumabsorptie nog verder kan worden verbeterd met andere materialen.

Potentie voor verdere ontwikkelingen

“Wij hebben nanodraadjes van indiumfosfide gebruikt. Gebruik je in plaats daarvan bijvoorbeeld indiumgalliumarsenide, dan rek je de bandbreedte op naar telecommunicatie-golflengtes, met net zulke goede prestaties”, zegt Reimer.

Zodra het prototype is uitgerust met de geschikte elektronica en draagbare koeling, kan de sensor buiten het laboratorium worden getest. “Een groot scala aan industriële toepassingen en onderzoeksgebieden kan profiteren van een kwantumsensor met deze eigenschappen”, zegt Reimer.

Dit onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door subsidies van het Canada First Research Excellence Fund (CFREF).

Tapered InP nanowire arrays for efficient broadband high-speed single photon detection. Sandra­ J. Gibson, Brad­ van­ Kasteren, Burak ­Tekcan, Yingchao ­Cui, Dick­ van­ Dam, Jos­ E.­ M.­ Haverkort, Erik­ P. ­A. M­. Bakkers and Michael ­E.­ Reimer. Nature Nanotechnology. DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-019-0393-2

Fotobijschrift: Artist’s impression van de interactie tussen enkele foton-pulsen en het raamwerk met nanodraadjes voor fotondetectie (foto: University of Waterloo)

FMT Gezondheidszorg Nieuwsbrief

U wilt op de hoogte blijven van de technologie, wetenschap en innovatieve huisvesting in de zorg. Abonneer u daarom nu gratis op de elektronische nieuwsbrief van FMT Gezondheidszorg.
Name
Email
Secure and Spam free...