Investigadores de la Universidad de Colorado, Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un nuevo instrumento basado en una matriz de sensores que ofrece detección de ruido ultrabajo de pequeñas cantidades de energía para una serie de aplicaciones. El nuevo dispositivo permite la recopilación de datos de muchos más detectores de los que antes era posible. El avance, informó en la edición de esta semana de Letras de física aplicada , se espera que permita aplicaciones en campos tan diversos como la contabilidad de materiales nucleares, astrofísica y espectrometría de rayos X.

El instrumento consta de 128 sensores superconductores y combina su salida en un solo canal proporcionado por un par de cables coaxiales. En el pasado, El tamaño de la matriz estaba limitado por el ancho de banda disponible para combinar señales en un número razonable de canales de salida. Esta nueva investigación demuestra una mejora del ancho de banda de cien veces, y los investigadores planean hacerlo aún mejor pronto. Superaron la barrera del ancho de banda mediante el uso de circuitos de microondas superconductores muy fríos y amplificadores de dispositivos de interferencia cuántica superconductores. conocidos como CALAMARES, capaz de aumentar la intensidad de pequeñas señales.

El nuevo dispositivo utiliza SQUID de radiofrecuencia para regular resonadores de microondas de alta calidad. Cuando estos resonadores se acoplan a una línea de alimentación de microondas común, con cada resonador sintonizado a una frecuencia diferente, todos los sensores se pueden monitorear simultáneamente.

"Es como si uno estuviera tratando de escuchar cientos de estaciones de radio a la vez, a través de un receptor de radio, ", dijo Ben Mates de la Universidad de Colorado y autor principal del trabajo. Los resonadores SQUID aumentan la señal en cada canal, él explicó, permitiendo la lectura simultánea de todas las estaciones de radio a la vez.

Las versiones del nuevo instrumento pueden detectar señales en una amplia gama de frecuencias, desde rayos X o gamma de onda corta hasta microondas de longitud de onda larga. La detección de rayos gamma es fundamental para la contabilidad de materiales nucleares, particularmente para rastrear isótopos de plutonio en combustibles nucleares gastados. Dado que el plutonio se puede utilizar para crear armas nucleares, es importante tener ayuno, métodos precisos para medir la cantidad de plutonio en el combustible nuclear enviado para su reprocesamiento.

La tecnología actual para el seguimiento del plutonio utiliza espectrometría de masas, pero este método es caro y requiere mucho tiempo. Las tecnologías más rápidas y menos costosas basadas en espectroscopía de rayos gamma no tienen la precisión para descartar pequeñas discrepancias en las cantidades de plutonio de una instalación grande. Solo se necesitan de 8 a 10 kilogramos de material faltante para construir una bomba nuclear. Los nuevos detectores de matriz son candidatos para mejorar la precisión de la espectroscopia de rayos gamma para que el material nuclear pueda rastrearse más fácilmente.

En el otro extremo del espectro, Se espera que el nuevo instrumento mejore los estudios astronómicos de la radiación cósmica de fondo de microondas. que es mayormente uniforme, aunque existen pequeñas e importantes fluctuaciones en su intensidad y polarización. Los investigadores predicen que se utilizarán versiones similares de su instrumento para buscar fluctuaciones en la polarización que son una firma de una época inflacionaria en los primeros momentos del universo.

Los investigadores esperan que una gama más amplia les permita desarrollar, en colaboración con las instalaciones SLAC del Departamento de Energía en Stanford, un espectrómetro único capaz de recolectar y medir simultáneamente con precisión muchos rayos X de alta energía de materiales en estudio en el láser de electrones libres de rayos X de la instalación de California. Los rayos X penetrantes de esta poderosa herramienta se utilizan cada vez más para comprender las propiedades de la materia en escalas de tiempo ultracortas. pero son deseables conjuntos de detectores más grandes incluso para esta fuente de rayos X brillante. Hacia este final, el trabajo futuro se centrará en aumentar el tamaño de la matriz a mil sensores o más.