Può sembrare che la tecnologia avanzi anno dopo anno, come per magia. Ma dietro ogni miglioramento incrementale e rivoluzione rivoluzionaria c'è un team di scienziati e ingegneri al lavoro.

Il professor Ben Mazin dell'UC Santa Barbara sta sviluppando sensori ottici di precisione per telescopi e osservatori. In un articolo pubblicato in Lettere di revisione fisica , lui e il suo team hanno migliorato la risoluzione degli spettri del loro sensore superconduttore, un passo importante nel loro obiettivo finale:analizzare la composizione degli esopianeti.

"Siamo stati in grado di raddoppiare all'incirca il potere di risoluzione spettrale dei nostri rivelatori", ha affermato il primo autore Nicholas Zobrist, uno studente di dottorato al Mazin Lab.

"Questo è il più grande aumento della risoluzione energetica che abbiamo mai visto", ha aggiunto Mazin. "Apre un percorso completamente nuovo verso obiettivi scientifici che non potevamo raggiungere prima."

Il laboratorio Mazin funziona con un tipo di sensore chiamato MKID. La maggior parte dei rilevatori di luce, come il sensore CMOS nella fotocamera di un telefono, sono semiconduttori basati sul silicio. Questi funzionano tramite l'effetto fotoelettrico:un fotone colpisce il sensore, staccando un elettrone che può quindi essere rilevato come un segnale idoneo all'elaborazione da parte di un microprocessore.

Un MKID utilizza un superconduttore, in cui l'elettricità può fluire senza resistenza. Oltre alla resistenza zero, questi materiali hanno altre proprietà utili. Ad esempio, i semiconduttori hanno un'energia gap che deve essere superata per mettere fuori combattimento l'elettrone. L'energia di gap correlata in un superconduttore è circa 10.000 volte inferiore, quindi può rilevare anche segnali deboli.

Inoltre, un singolo fotone può staccare molti elettroni da un superconduttore, al contrario di uno solo in un semiconduttore. Misurando il numero di elettroni mobili, un MKID può effettivamente determinare l'energia (o lunghezza d'onda) della luce in arrivo. "E l'energia del fotone, o dei suoi spettri, ci dice molto sulla fisica di ciò che ha emesso quel fotone", ha detto Mazin.

Perdita di energia

I ricercatori avevano raggiunto un limite su quanto potessero rendere questi MKID sensibili. Dopo un lungo esame, hanno scoperto che l'energia stava fuoriuscendo dal superconduttore nel wafer di cristallo di zaffiro su cui è realizzato il dispositivo. Di conseguenza, il segnale è apparso più debole di quanto non fosse in realtà.

Nell'elettronica tipica, la corrente è trasportata da elettroni mobili. Ma questi hanno la tendenza a interagire con l'ambiente circostante, disperdendo e perdendo energia in quella che è nota come resistenza. In un superconduttore, due elettroni si accoppieranno, uno spin su e uno spin down, e questa coppia di Cooper, come viene chiamata, è in grado di muoversi senza resistenza.

"È come una coppia in un club", ha spiegato Mazin. "Ci sono due persone che si accoppiano e poi possono muoversi insieme attraverso la folla senza alcuna resistenza. Mentre una sola persona si ferma a parlare con tutti lungo il percorso, rallentandoli."

In un superconduttore, tutti gli elettroni sono accoppiati. "Ballano tutti insieme, si muovono senza interagire molto con le altre coppie perché si guardano tutti profondamente negli occhi.

"Un fotone che colpisce il sensore è come qualcuno che entra e versa un drink su uno dei partner", ha continuato. "Questo rompe la coppia, facendo inciampare un partner in altre coppie e creare disturbo". Questa è la cascata di elettroni mobili misurata dal MKID.

Ma a volte questo accade ai margini della pista da ballo. La parte offesa inciampa fuori dal locale senza urtare nessun altro. Ottimo per il resto dei ballerini, ma non per gli scienziati. Se ciò accade nel MKID, il segnale luminoso sembrerà più debole di quanto non fosse in realtà.

Recintali

Mazin, Zobrist e i loro coautori hanno scoperto che un sottile strato di indio metallico, posto tra il sensore superconduttore e il substrato, ha ridotto drasticamente l'energia che fuoriesce dal sensore. L'indio agiva essenzialmente come una recinzione attorno alla pista da ballo, mantenendo i ballerini spinti nella stanza e interagendo con il resto della folla.

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. + Esplora ulteriormente

Spectral resolution of superconducting single photon detectors more than doubled