Sensorn monterad för användning i en MKID Exoplanet-kamera. Kredit:Ben Mazin
Det kan tyckas som om tekniken utvecklas år efter år, som genom ett trollslag. Men bakom varje stegvis förbättring och genombrottsrevolution finns ett team av forskare och ingenjörer som jobbar hårt.
UC Santa Barbara Professor Ben Mazin utvecklar optiska precisionssensorer för teleskop och observatorier. I en artikel publicerad i Physical Review Letters , förbättrade han och hans team spektraupplösningen för deras supraledande sensor, ett stort steg i deras slutmål:att analysera exoplaneternas sammansättning.
"Vi kunde ungefär fördubbla den spektrala upplösningsförmågan hos våra detektorer", säger första författaren Nicholas Zobrist, doktorand vid Mazin Lab.
"Detta är den största ökningen av energiupplösningen vi någonsin sett," tillade Mazin. "Det öppnar upp en helt ny väg till vetenskapsmål som vi inte kunde uppnå tidigare."
Mazin-labbet arbetar med en typ av sensor som kallas MKID. De flesta ljusdetektorer - som CMOS-sensorn i en telefonkamera - är halvledare baserade på kisel. Dessa fungerar via den fotoelektriska effekten:en foton träffar sensorn och slår av en elektron som sedan kan detekteras som en signal lämplig för bearbetning av en mikroprocessor.
En MKID använder en supraledare, i vilken elektricitet kan flöda utan motstånd. Förutom noll motstånd har dessa material andra användbara egenskaper. Till exempel har halvledare en gapenergi som måste övervinnas för att slå ut elektronen. Den relaterade gapenergin i en supraledare är cirka 10 000 gånger mindre, så den kan upptäcka även svaga signaler.
Dessutom kan en enskild foton slå bort många elektroner från en supraledare, i motsats till bara en i en halvledare. Genom att mäta antalet mobila elektroner kan en MKID faktiskt bestämma energin (eller våglängden) för det inkommande ljuset. "Och fotonens energi, eller dess spektra, säger oss mycket om fysiken i vad som sänder ut den fotonen," sa Mazin.
Läckande energi
Forskarna hade nått en gräns för hur känsliga de kunde göra dessa MKID. Efter mycket granskning upptäckte de att energi läckte från supraledaren in i safirglasskivan som enheten är gjord på. Som ett resultat verkade signalen svagare än den verkligen var.
I typisk elektronik bärs ström av mobila elektroner. Men dessa har en tendens att interagera med sin omgivning, sprida och förlora energi i det som kallas motstånd. I en supraledare kommer två elektroner att paras ihop – en snurr upp och en snurrar ner – och detta Cooper-par, som det kallas, kan röra sig utan motstånd.
"Det är som ett par på en klubb," förklarade Mazin. "Du har två personer som går ihop och sedan kan de röra sig tillsammans genom folkmassan utan något motstånd. Medan en enda person stannar för att prata med alla på vägen och saktar ner dem."
I en supraledare är alla elektroner ihopparade. "De dansar alla tillsammans och rör sig utan att interagera med andra par särskilt mycket eftersom de alla stirrar djupt in i varandras ögon.
"En foton som träffar sensorn är som att någon kommer in och spiller en drink på en av partnerna", fortsatte han. "Detta bryter upp paret, vilket gör att en partner snubblar in i andra par och skapar en störning." Detta är kaskaden av mobila elektroner som MKID mäter.
Men ibland händer detta på kanten av dansgolvet. Den kränkta parten snubblar ut ur klubben utan att knacka på någon annan. Bra för resten av dansarna, men inte för forskarna. Om detta händer i MKID kommer ljussignalen att verka svagare än den faktiskt var.
Fäkta in dem
Mazin, Zobrist and their co-authors discovered that a thin layer of the metal indium—placed between the superconducting sensor and the substrate—drastically reduced the energy leaking out of the sensor. 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. + Utforska vidare
