Forskare från Aalto-universitetet och Finlands tekniska forskningscenter VTT har byggt en superkänslig bolometer, en typ av termisk strålningsdetektor. Den nya strålningsdetektorn, gjord av en guld-palladiumblandning gör det lättare att mäta styrkan hos elektromagnetisk strålning i realtid. Bolometrar används flitigt i värmekameror inom byggbranschen och i satelliter för att mäta kosmisk strålning.

Den nya utvecklingen kan hjälpa bolometrar att hitta sin väg till kvantdatorer. Om den nya strålningsdetektorn lyckas fungera lika bra i rymden som den gör i laboratoriet, den kan också användas för att mäta kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning i rymden mer exakt.

"Den nya detektorn är extremt känslig, och dess brusnivå – hur mycket signalen studsar runt rätt värde, är bara en tiondel av bruset från någon annan bolometer. Det är också hundra gånger snabbare än tidigare lågbrusstrålningsdetektorer, säger Mikko Mötönen, som arbetar som gemensam professor i kvantteknologi vid Aalto-universitetet och VTT.

I början, forskargruppen byggde en strålningsdetektor av guld, men det gick sönder på några veckor, eftersom guld inte är kompatibelt med aluminiumet som används som supraledare i detektorn. För att övervinna detta, gruppen började använda en blandning av guld och palladium, som är mycket hållbart men ett sällsynt material i bolometrar.

"Förutom materialet, hemligheten med den nya strålningsdetektorn ligger i dess riktigt lilla skala. Nanotråden som går genom mitten av strålningsdetektorn är bara ungefär en mikrometer lång, tvåhundra nanometer bred och några tiotals nanometer tjock, säger Roope Kokkoniemi, som studerade bolometern vid Aalto-universitetet.

En bolometer fungerar genom att mäta värmeeffekten av strålning. När en bolometer värms upp, dess elektriska egenskaper förändras, och detta kan mätas med hög precision. Ju mindre bolometer, desto mindre strålning krävs för att värma den.

"En liten strålningsdetektor har låg värmekapacitet, så svag strålning ger en starkare signal, " förklarar Kokkoniemi.

Bättre skydd

"Kvantdatorer fungerar i kryostater, extremt kalla superfrysar, där även den minsta mängd överskottsstrålning orsakar mycket störning. Eftersom nanobolometrar är mycket känsliga, de kunde bekvämt mäta nivån av överskottsstrålning i kryostaten för att minska strålningen genom bättre skydd, " säger Mötönen.

Bolometern kan också användas för att läsa av värdet på kvantbitar, eller qubits. Dock, för det här syftet, bolometern skulle behöva vara ännu snabbare.

"För att läsa kvantinformation i supraledande kvantdatorer flera gånger i rad utan att den försämras däremellan, bolometern måste vara ungefär hundra gånger snabbare, " säger Mötönen.

Mikrovågsförstärkare utvecklades också i forskningen. Deras uppgift är att stärka signalen, men de lägger också till brus. Den supraledande mikrovågsförstärkaren utvecklad av VTT lyckades halvera bolometerbruset i jämförelse med den bästa kommersiella förstärkaren som används.

Bolometern utvecklades i forskargruppen Quantum Computing and Devices under ledning av Mikko Möttönen. Artikeln publicerades i Kommunikationsfysik tidning den 11 oktober.