Het lijkt misschien alsof de technologie jaar na jaar vooruitgaat, als bij toverslag. Maar achter elke stapsgewijze verbetering en doorbraakrevolutie is een team van wetenschappers en ingenieurs hard aan het werk.

Professor Ben Mazin van UC Santa Barbara ontwikkelt optische precisiesensoren voor telescopen en observatoria. In een paper gepubliceerd in Physical Review Letters , verbeterden hij en zijn team de spectraresolutie van hun supergeleidende sensor, een belangrijke stap in hun uiteindelijke doel:het analyseren van de samenstelling van exoplaneten.

"We waren in staat om het spectrale oplossende vermogen van onze detectoren ruwweg te verdubbelen", zegt eerste auteur Nicholas Zobrist, een doctoraalstudent in het Mazin Lab.

"Dit is de grootste toename van de energieresolutie die we ooit hebben gezien", voegde Mazin eraan toe. "Het opent een geheel nieuwe weg naar wetenschappelijke doelen die we eerder niet konden bereiken."

Het Mazin-lab werkt met een type sensor dat een MKID wordt genoemd. De meeste lichtdetectoren, zoals de CMOS-sensor in een telefooncamera, zijn halfgeleiders op basis van silicium. Deze werken via het foto-elektrisch effect:een foton valt op de sensor, waardoor een elektron wordt afgestoten dat vervolgens kan worden gedetecteerd als een signaal dat geschikt is voor verwerking door een microprocessor.

Een MKID maakt gebruik van een supergeleider, waarin elektriciteit zonder weerstand kan stromen. Naast nulweerstand hebben deze materialen nog andere nuttige eigenschappen. Halfgeleiders hebben bijvoorbeeld een spleetenergie die moet worden overwonnen om het elektron uit te schakelen. De gerelateerde gap-energie in een supergeleider is ongeveer 10.000 keer minder, dus het kan zelfs zwakke signalen detecteren.

Bovendien kan een enkel foton veel elektronen van een supergeleider afstoten, in tegenstelling tot slechts één in een halfgeleider. Door het aantal mobiele elektronen te meten, kan een MKID daadwerkelijk de energie (of golflengte) van het invallende licht bepalen. "En de energie van het foton, of zijn spectra, vertelt ons veel over de fysica van wat dat foton uitzond," zei Mazin.

Lekkende energie

De onderzoekers hadden een grens bereikt over hoe gevoelig ze deze MKID's konden maken. Na veel onderzoek ontdekten ze dat er energie lekte uit de supergeleider in de saffierkristallenwafel waarop het apparaat is gemaakt. Als gevolg hiervan leek het signaal zwakker dan het in werkelijkheid was.

In typische elektronica wordt stroom gedragen door mobiele elektronen. Maar deze hebben de neiging om te interageren met hun omgeving, zich te verspreiden en energie te verliezen in wat bekend staat als weerstand. In een supergeleider zullen twee elektronen paren - een spin omhoog en een spin omlaag - en dit Cooper-paar, zoals het wordt genoemd, kan zich zonder weerstand voortbewegen.

"Het is net een stel in een club," legde Mazin uit. "Je hebt twee mensen die paren vormen, en dan kunnen ze samen door de menigte bewegen zonder enige weerstand. Terwijl een enkele persoon onderweg stopt om met iedereen te praten, waardoor ze langzamer gaan."

In een supergeleider zijn alle elektronen gepaard. "Ze dansen allemaal samen, bewegen rond zonder veel interactie met andere koppels, omdat ze allemaal diep in elkaars ogen staren.

"Een foton dat de sensor raakt, is alsof iemand binnenkomt en een drankje morst op een van de partners," vervolgde hij. "Dit breekt het koppel uit elkaar, waardoor een partner andere koppels tegen het lijf loopt en voor overlast zorgt." Dit is de cascade van mobiele elektronen die de MKID meet.

Maar soms gebeurt dit aan de rand van de dansvloer. De beledigde partij strompelt de club uit zonder tegen iemand anders aan te kloppen. Geweldig voor de rest van de dansers, maar niet voor de wetenschappers. Als dit in de MKID gebeurt, zal het lichtsignaal zwakker lijken dan het in werkelijkheid was.

Ze omheinen

Mazin, Zobrist en hun co-auteurs ontdekten dat een dunne laag van het metaal indium - geplaatst tussen de supergeleidende sensor en het substraat - de energie die uit de sensor lekt drastisch verminderde. 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. + Verder verkennen

Spectral resolution of superconducting single photon detectors more than doubled