Investigatori dell'Università del Colorado, Boulder e il National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato un nuovo strumento basato su array di sensori che offre un rilevamento a bassissimo rumore di piccole quantità di energia per una serie di applicazioni. Il nuovo dispositivo consente la raccolta di dati da molti più rivelatori di quanto fosse possibile in precedenza. Il vantaggio, riportato nel numero di questa settimana di Lettere di fisica applicata , dovrebbe consentire applicazioni in campi diversi come la contabilità dei materiali nucleari, astrofisica e spettrometria a raggi X.

Lo strumento è composto da 128 sensori superconduttori e combina la loro uscita in un unico canale fornito da una coppia di cavi coassiali. Nel passato, la dimensione dell'array era limitata dalla larghezza di banda disponibile per combinare i segnali in un numero ragionevole di canali di uscita. Questa nuova ricerca dimostra un miglioramento della larghezza di banda di cento volte, e gli investigatori hanno intenzione di fare ancora meglio presto. Hanno superato la barriera della larghezza di banda utilizzando circuiti a microonde superconduttori molto freddi e amplificatori di dispositivi a interferenza quantistica superconduttori, conosciuti come SQUID, in grado di aumentare l'intensità di piccoli segnali.

Il nuovo dispositivo utilizza SQUID a radiofrequenza per regolare risonatori a microonde di alta qualità. Quando questi risonatori sono accoppiati a una comune linea di alimentazione a microonde, con ogni risonatore sintonizzato su una frequenza diversa, tutti i sensori possono essere monitorati contemporaneamente.

"È come se si cercasse di ascoltare centinaia di stazioni radio contemporaneamente, attraverso un ricevitore radio, " ha affermato Ben Mates dell'Università del Colorado e autore principale del lavoro. I risonatori SQUID amplificano il segnale in ogni canale, Lui ha spiegato, consentendo la lettura simultanea di tutte le stazioni radio contemporaneamente.

Le versioni del nuovo strumento possono rilevare segnali su un'ampia gamma di frequenze, dai raggi gamma o X a lunghezza d'onda corta alle microonde a lunghezza d'onda lunga. Il rilevamento dei raggi gamma è fondamentale per la contabilità dei materiali nucleari, in particolare per il monitoraggio degli isotopi di plutonio nei combustibili nucleari esauriti. Poiché il plutonio può essere utilizzato per creare armi nucleari, è importante avere fretta, metodi accurati per misurare la quantità di plutonio nel combustibile nucleare inviato per il ritrattamento.

L'attuale tecnologia per tracciare il plutonio utilizza la spettrometria di massa, ma questo metodo è costoso e richiede tempo. Le tecnologie più veloci e meno costose basate sulla spettroscopia a raggi gamma non hanno l'accuratezza per escludere piccole discrepanze nelle quantità di plutonio da una grande struttura. Sono necessari solo 8-10 chilogrammi di materiale mancante per costruire una bomba nucleare. I nuovi rivelatori a matrice sono candidati per migliorare l'accuratezza della spettroscopia a raggi gamma in modo che il materiale nucleare possa essere rintracciato più facilmente.

All'altra estremità dello spettro, il nuovo strumento dovrebbe migliorare gli studi astronomici della radiazione cosmica di fondo a microonde, che è per lo più uniforme, sebbene esistano piccole e importanti fluttuazioni nella sua intensità e polarizzazione. I ricercatori prevedono che verranno utilizzate versioni simili del loro strumento per cercare fluttuazioni nella polarizzazione che sono una firma di un'epoca inflazionistica nei primi momenti dell'universo.

Gli investigatori sperano che una schiera più ampia consentirà loro di sviluppare, in collaborazione con la struttura SLAC del Dipartimento dell'Energia a Stanford, uno spettrometro unico in grado di raccogliere e misurare con precisione molti raggi X ad alta energia da materiali in fase di studio presso il laser a elettroni liberi a raggi X della struttura californiana. I raggi X penetranti da questo potente strumento sono sempre più utilizzati per comprendere le proprietà della materia su scale temporali ultrabrevi, ma sono desiderabili array di rivelatori più grandi anche per questa luminosa sorgente di raggi X. A tal fine, il lavoro futuro si concentrerà sull'aumento della dimensione dell'array a un migliaio di sensori o più.