Mantener la energía en la habitación.

El profesor Ben Mazin de UC Santa Barbara está desarrollando sensores ópticos de precisión para telescopios y observatorios. En un artículo publicado en Cartas de revisión físicaél y su equipo mejoraron la resolución espectral de su sensor superconductor, un paso importante en su objetivo final: analizar la composición de los exoplanetas.

«Pudimos duplicar aproximadamente el poder de resolución espectral de nuestros detectores», dijo el primer autor Nicholas Zobrist, estudiante de doctorado en el Laboratorio Mazin.

«Este es el aumento de resolución de energía más grande que jamás hayamos visto», agregó Mazin. «Abre un camino completamente nuevo hacia objetivos científicos que no podíamos lograr antes».

El laboratorio de Mazin trabaja con un tipo de sensor llamado MKID. La mayoría de los detectores de luz, como el sensor CMOS de la cámara de un teléfono, son semiconductores basados ​​en silicio. Estos operan a través del efecto fotoeléctrico: un fotón golpea el sensor, eliminando un electrón que luego puede detectarse como una señal adecuada para ser procesada por un microprocesador.

Un MKID usa un superconductor, en el que la electricidad puede fluir sin resistencia. Además de la resistencia cero, estos materiales tienen otras propiedades útiles. Por ejemplo, los semiconductores tienen una energía de brecha que debe superarse para eliminar el electrón. La energía de brecha relacionada en un superconductor es unas 10.000 veces menor, por lo que puede detectar incluso señales débiles.

Es más, un solo fotón puede sacar muchos electrones de un superconductor, a diferencia de uno solo en un semiconductor. Al medir la cantidad de electrones móviles, un MKID puede determinar la energía (o longitud de onda) de la luz entrante. «Y la energía del fotón, o su espectro, nos dice mucho sobre la física de lo que emitió ese fotón», dijo Mazin.

Fuga de energía

Los investigadores habían llegado a un límite en cuanto a la sensibilidad que podían hacer estos MKID. Después de mucho escrutinio, descubrieron que la energía se estaba filtrando desde el superconductor hacia la oblea de cristal de zafiro en la que está hecho el dispositivo. Como resultado, la señal parecía más débil de lo que realmente era.

En la electrónica típica, la corriente es transportada por electrones móviles. Pero estos tienen una tendencia a interactuar con su entorno, dispersándose y perdiendo energía en lo que se conoce como resistencia. En un superconductor, dos electrones se emparejarán, uno girando hacia arriba y otro girando hacia abajo, y este par de Cooper, como se le llama, puede moverse sin resistencia.

«Es como una pareja en un club», explicó Mazin. «Tienes dos personas que se emparejan y luego pueden moverse juntas entre la multitud sin ninguna resistencia. Mientras que una sola persona se detiene para hablar con todos en el camino, frenándolos».

En un superconductor, todos los electrones están emparejados. «Están todos bailando juntos, moviéndose sin interactuar mucho con otras parejas porque todos se miran profundamente a los ojos.

«Un fotón que golpea el sensor es como si alguien entrara y derramara una bebida sobre uno de los socios», continuó. «Esto rompe a la pareja, lo que hace que un miembro de la pareja tropiece con otras parejas y cree una perturbación». Esta es la cascada de electrones móviles que mide el MKID.

Pero a veces esto sucede al borde de la pista de baile. La parte ofendida sale a trompicones del club sin chocar con nadie más. Genial para el resto de bailarines, pero no para los científicos. Si esto sucede en el MKID, la señal luminosa parecerá más débil de lo que realmente era.

cercarlos

Mazin, Zobrist y sus coautores descubrieron que una capa delgada de indio metálico, colocada entre el sensor superconductor y el sustrato, redujo drásticamente la fuga de energía del sensor. El indio básicamente actuó como una valla alrededor de la pista de baile, manteniendo a los bailarines empujados en la sala e interactuando con el resto de la multitud.

Eligieron el indio porque también es un superconductor a las temperaturas a las que operará el MKID, y los superconductores adyacentes tienden a cooperar si son delgados. Sin embargo, el metal presentó un desafío para el equipo. El indio es más blando que el plomo, por lo que tiende a formar grumos. Eso no es bueno para hacer la capa delgada y uniforme que necesitaban los investigadores.

Pero su tiempo y esfuerzo dieron sus frutos. La técnica redujo la incertidumbre de medición de la longitud de onda del 10% al 5%, informa el estudio. Por ejemplo, los fotones con una longitud de onda de 1000 nanómetros ahora se pueden medir con una precisión de 50 nm con este sistema. «Esto tiene implicaciones reales para la ciencia que podemos hacer», dijo Mazin, «porque podemos resolver mejor los espectros de los objetos que estamos mirando».

Diferentes fenómenos emiten fotones con espectros específicos (o longitudes de onda), y diferentes moléculas absorben fotones de diferentes longitudes de onda. Usando esta luz, los científicos pueden usar la espectroscopia para identificar la composición de los objetos tanto cercanos como en todo el universo visible.

Mazin está particularmente interesado en aplicar estos detectores a la ciencia de los exoplanetas. En este momento, los científicos solo pueden hacer espectroscopia para un pequeño subconjunto de exoplanetas. El planeta necesita pasar entre su estrella y la Tierra, y debe tener una atmósfera espesa para que pase suficiente luz a través de ella para que los investigadores puedan trabajar. Aún así, la relación señal/ruido es abismal, especialmente para los planetas rocosos, dijo Mazin.

Con mejores MKID, los científicos pueden usar la luz reflejada en la superficie de un planeta, en lugar de transmitirla únicamente a través de su estrecha atmósfera. Esto pronto será posible con las capacidades de la próxima generación de telescopios de 30 metros.

El grupo de Mazin también está experimentando con un enfoque completamente diferente al problema de la pérdida de energía. Aunque los resultados de este trabajo son impresionantes, Mazin dijo que cree que la técnica del indio podría quedar obsoleta si su equipo tiene éxito con este nuevo esfuerzo. De cualquier manera, agregó, los científicos se están acercando rápidamente a sus objetivos.