Puede parecer que la tecnología avanza año tras año, como por arte de magia. Pero detrás de cada mejora incremental y revolución revolucionaria hay un equipo de científicos e ingenieros trabajando arduamente.

El profesor Ben Mazin de UC Santa Barbara está desarrollando sensores ópticos de precisión para telescopios y observatorios. En un artículo publicado en Physical Review Letters , él 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 Mazin Lab.

"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.

Encerrarlos

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 esencialmente 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.

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. + Explora más

Spectral resolution of superconducting single photon detectors more than doubled