Mantenere l’energia nella stanza

Il sensore montato per l’uso in una fotocamera per esopianeti MKID. Crediti: Ben Mazin

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 fisicalui 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 detto 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 sembrava 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 la strada, rallentandoli”.

In un superconduttore, tutti gli elettroni sono accoppiati. “Stanno ballando 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.

Recintandoli

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 essenzialmente ha agito come una recinzione attorno alla pista da ballo, mantenendo i ballerini spinti nella stanza e interagendo con il resto della folla.

Hanno scelto l’indio perché è anche un superconduttore alle temperature alle quali opererà l’MKID e i superconduttori adiacenti tendono a cooperare se sono sottili. Tuttavia, il metallo ha rappresentato una sfida per la squadra. L’indio è più morbido del piombo, quindi ha la tendenza ad accumularsi. Non è eccezionale per creare lo strato sottile e uniforme di cui i ricercatori avevano bisogno.

Ma il loro tempo e fatica sono stati ripagati. La tecnica ha ridotto l’incertezza di misura della lunghezza d’onda dal 10% al 5%, riporta lo studio. Ad esempio, i fotoni con una lunghezza d’onda di 1.000 nanometri possono ora essere misurati con una precisione di 50 nm con questo sistema. “Questo ha implicazioni reali per la scienza che possiamo fare”, ha detto Mazin, “perché possiamo risolvere meglio gli spettri degli oggetti che stiamo guardando”.

Diversi fenomeni emettono fotoni con spettri (o lunghezze d’onda) specifici e diverse molecole assorbono fotoni di diverse lunghezze d’onda. Usando questa luce, gli scienziati possono usare la spettroscopia per identificare la composizione di oggetti sia nelle vicinanze che nell’intero universo visibile.

Mazin è particolarmente interessato ad applicare questi rivelatori alla scienza degli esopianeti. Al momento, gli scienziati possono eseguire la spettroscopia solo per un minuscolo sottoinsieme di esopianeti. Il pianeta deve passare tra la sua stella e la Terra e deve avere un’atmosfera densa in modo che abbastanza luce lo attraversi per consentire ai ricercatori di lavorare. Tuttavia, il rapporto segnale/rumore è pessimo, specialmente per i pianeti rocciosi, ha detto Mazin.

Con MKID migliori, gli scienziati possono utilizzare la luce riflessa dalla superficie di un pianeta, piuttosto che trasmessa solo attraverso la sua ristretta atmosfera. Ciò sarà presto possibile grazie alle capacità della prossima generazione di telescopi da 30 metri.

Il gruppo Mazin sta anche sperimentando un approccio completamente diverso alla questione della perdita di energia. Sebbene i risultati di questo documento siano impressionanti, Mazin ha affermato di ritenere che la tecnica dell’indio potrebbe essere obsoleta se la sua squadra avesse successo con questa nuova impresa. In ogni caso, ha aggiunto, gli scienziati si stanno rapidamente avvicinando ai loro obiettivi.


La risoluzione spettrale dei rivelatori superconduttori di fotoni singoli è più che raddoppiata


Maggiori informazioni:
Nicholas Zobrist et al, Intrappolamento di fononi senza membrana e miglioramento della risoluzione nei rivelatori di induttanza cinetica a microonde ottici, Lettere di revisione fisica (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.017701. Davanti archivio: arxiv.org/abs/2204.13669

Fornito dall’Università della California – Santa Barbara

Citazione: Mantenere l’energia nella stanza (2022, 1 luglio) recuperato il 1 luglio 2022 da https://phys.org/news/2022-07-energy-room.html

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