Behold energien i rummet

Det kan virke som om teknologien udvikler sig år efter år, som ved et trylleslag. Men bag hver trinvis forbedring og banebrydende revolution er et team af videnskabsmænd og ingeniører, der arbejder hårdt.

Professor Ben Mazin ved UC Santa Barbara udvikler optiske præcisionssensorer til teleskoper og observatorier. I et papir offentliggjort i Physical Review Letters , forbedrede han og hans team spektreopløsningen af ​​deres superledende sensor, et vigtigt skridt i deres ultimative mål:at analysere sammensætningen af ​​exoplaneter.

"Vi var i stand til groft at fordoble den spektrale opløsningsevne af vores detektorer," sagde førsteforfatter Nicholas Zobrist, en doktorand i Mazin Lab.

"Dette er den største stigning i energiopløsningen, vi nogensinde har set," tilføjede Mazin. "Det åbner en helt ny vej til videnskabelige mål, som vi ikke kunne nå før."

Mazin-laboratoriet arbejder med en type sensor kaldet en MKID. De fleste lysdetektorer - ligesom CMOS-sensoren i et telefonkamera - er halvledere baseret på silicium. Disse fungerer via den fotoelektriske effekt:en foton rammer sensoren og slår en elektron af, som derefter kan detekteres som et signal, der er egnet til behandling af en mikroprocessor.

En MKID bruger en superleder, hvori elektricitet kan flyde uden modstand. Ud over nul modstand har disse materialer andre nyttige egenskaber. For eksempel har halvledere en spalteenergi, der skal overvindes for at slå elektronen ud. Den relaterede spalteenergi i en superleder er omkring 10.000 gange mindre, så den kan registrere selv svage signaler.

Hvad mere er, kan en enkelt foton slå mange elektroner ud af en superleder i modsætning til kun én i en halvleder. Ved at måle antallet af mobile elektroner kan en MKID faktisk bestemme energien (eller bølgelængden) af det indkommende lys. "Og fotonens energi, eller dens spektre, fortæller os meget om fysikken i, hvad der udsendte den foton," sagde Mazin.

Lækker energi

Forskerne havde ramt en grænse for, hvor følsomme de kunne gøre disse MKID'er. Efter megen granskning opdagede de, at energi sivede fra superlederen ind i safirkrystalskiven, som enheden er lavet på. Som et resultat virkede signalet svagere, end det virkelig var.

I typisk elektronik bæres strøm af mobile elektroner. Men disse har en tendens til at interagere med deres omgivelser, sprede og miste energi i det, der er kendt som modstand. I en superleder vil to elektroner parre sig - et spin op og et spin ned - og dette Cooper-par, som det kaldes, er i stand til at bevæge sig uden modstand.

"Det er ligesom et par i en klub," forklarede Mazin. "Du har to personer, der slår sig sammen, og så kan de bevæge sig sammen gennem mængden uden nogen modstand. Hvorimod en enkelt person stopper for at tale med alle undervejs og bremser dem."

I en superleder er alle elektronerne parret. "De danser alle sammen og bevæger sig rundt uden at interagere så meget med andre par, fordi de alle stirrer dybt ind i hinandens øjne.

"En foton, der rammer sensoren, er som en, der kommer ind og spilder en drink på en af ​​partnerne," fortsatte han. "Dette bryder parret op, hvilket får den ene partner til at snuble ind i andre par og skabe en forstyrrelse." Dette er den kaskade af mobile elektroner, som MKID måler.

Men nogle gange sker dette på kanten af ​​dansegulvet. Den fornærmede snubler ud af klubben uden at banke ind i nogen anden. Fantastisk for resten af ​​danserne, men ikke for forskerne. Hvis dette sker i MKID, så vil lyssignalet virke svagere, end det faktisk var.

Fægte dem ind

Mazin, Zobrist og deres medforfattere opdagede, at et tyndt lag af metallet indium - placeret mellem den superledende sensor og substratet - drastisk reducerede energien, der lækker ud af sensoren. The indium essentially acted like a fence around the dancefloor, keeping the jostled dancers in the room and interacting with the rest of the crowd.

They chose indium because it is also a superconductor at the temperatures at which the MKID will operate, and adjacent superconductors tend to cooperate if they are thin. The metal did present a challenge to the team, though. Indium is softer than lead, so it has a tendency to clump up. That's not great for making the thin, uniform layer the researchers needed.

But their time and effort paid off. The technique cut down the wavelength measurement uncertainty from 10% to 5%, the study reports. For example, photons with a wavelength of 1,000 nanometers can now be measured to a precision of 50 nm with this system. "This has real implications for the science we can do," Mazin said, "because we can better resolve the spectra of the objects that we're looking at."

Different phenomena emit photons with specific spectra (or wavelengths), and different molecules absorb photons of different wavelengths. Using this light, scientists can use spectroscopy to identify the composition of objects both nearby and across the entire visible universe.

Mazin is particularly interested in applying these detectors to exoplanet science. Right now, scientists can only do spectroscopy for a tiny subset of exoplanets. The planet needs to pass between its star and Earth, and it must have a thick atmosphere so that enough light passes through it for researchers to work with. Still, the signal to noise ratio is abysmal, especially for rocky planets, Mazin said.

With better MKIDs, scientists can use light reflected off the surface of a planet, rather than transmitted through its narrow atmosphere alone. This will soon be possible with the capabilities of the next generation of 30-meter telescopes.

The Mazin group is also experimenting with a completely different approach to the energy-loss issue. Although the results from this paper are impressive, Mazin said he believes the indium technique could be obsolete if his team is successful with this new endeavor. Either way, he added, the scientists are rapidly closing in on their goals. + Udforsk yderligere

Spectral resolution of superconducting single photon detectors more than doubled