Может показаться, что технологии развиваются год за годом, как по волшебству. Но за каждым постепенным улучшением и прорывной революцией стоит команда усердно работающих ученых и инженеров.

Профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Бен Мазин разрабатывает прецизионные оптические датчики для телескопов и обсерваторий. В статье, опубликованной в Physical Review Letters , он и его команда улучшили спектральное разрешение своего сверхпроводящего датчика, что стало важным шагом к их конечной цели: анализу состава экзопланет.

«Мы смогли примерно удвоить спектральную разрешающую способность наших детекторов», — сказал первый автор Николас Зобрист, докторант лаборатории Мазина.

«Это самое большое увеличение энергетического разрешения, которое мы когда-либо видели», — добавил Мазин. «Это открывает совершенно новый путь к научным целям, которых мы не могли достичь раньше».

Лаборатория Mazin работает с датчиком типа MKID. Большинство детекторов света, например CMOS-сенсор в телефонной камере, представляют собой полупроводники на основе кремния. Они работают через фотоэлектрический эффект: фотон ударяет в датчик, сбивая электрон, который затем может быть обнаружен как сигнал, пригодный для обработки микропроцессором.

MKID использует сверхпроводник, в котором электричество может течь без сопротивления. Помимо нулевого сопротивления, эти материалы обладают и другими полезными свойствами. Например, в полупроводниках есть энергия запрещенной зоны, которую необходимо преодолеть, чтобы выбить электрон. Энергия соответствующей щели в сверхпроводнике примерно в 10 000 раз меньше, поэтому он может обнаруживать даже слабые сигналы.

Более того, один фотон может выбить много электронов из сверхпроводника, в отличие от одного в полупроводнике. Измеряя количество подвижных электронов, MKID может определить энергию (или длину волны) входящего света. «А энергия фотона или его спектры многое говорят нам о физике того, что излучает этот фотон», — сказал Мазин.

Утечка энергии

Исследователи достигли предела того, насколько чувствительными они могли сделать эти MKID. После долгих исследований они обнаружили, что энергия просачивается из сверхпроводника в пластину из сапфирового кристалла, на которой сделано устройство. В результате сигнал оказался слабее, чем был на самом деле.

В типичной электронике ток переносится подвижными электронами. Но они имеют тенденцию взаимодействовать с окружающей средой, рассеивая и теряя энергию в так называемом сопротивлении. В сверхпроводнике два электрона образуют пары — один направлен вверх, а другой — вниз, и эта куперовская пара, как ее называют, способна двигаться без сопротивления.

«Это как пара в клубе», — объяснил Мазин. «У вас есть два человека, которые объединяются в пары, а затем они могут двигаться вместе через толпу без какого-либо сопротивления. В то время как один человек останавливается, чтобы поговорить со всеми по пути, замедляя их».

В сверхпроводнике все электроны спарены. «Они все танцуют вместе, двигаются, почти не взаимодействуя с другими парами, потому что все пристально смотрят друг другу в глаза.

«Фотон, попадающий в датчик, подобен тому, как кто-то входит и проливает напиток на одного из партнеров», — продолжил он. «Это разрушает пару, заставляя одного партнера натыкаться на другие пары и создавать помехи». Это каскад подвижных электронов, который измеряет MKID.

Но иногда это происходит на краю танцпола. Обиженная сторона, спотыкаясь, выбирается из клуба, никого не сбивая. Отлично подходит для остальных танцоров, но не для ученых. Если это произойдет в МКИД, то световой сигнал будет казаться слабее, чем был на самом деле.

Ограждение их в

Мазин, Зобрист и их соавторы обнаружили, что тонкий слой металлического индия, помещенный между сверхпроводящим датчиком и подложкой, резко снижает утечку энергии из датчика. Индий, по сути, действовал как забор вокруг танцпола, удерживая толкаемых танцоров в комнате и взаимодействуя с остальной толпой.

Они выбрали индий, потому что он также является сверхпроводником при температурах, при которых будет работать MKID, а соседние сверхпроводники имеют тенденцию взаимодействовать, если они тонкие. Однако металл действительно стал проблемой для команды. Индий мягче свинца, поэтому имеет склонность к комкованию. Это не очень хорошо для создания тонкого однородного слоя, в котором нуждались исследователи.

Но их время и усилия окупились. В исследовании сообщается, что этот метод сократил погрешность измерения длины волны с 10% до 5%. Например, с помощью этой системы теперь можно измерять фотоны с длиной волны 1000 нанометров с точностью до 50 нм. «Это имеет реальные последствия для науки, которой мы можем заниматься, — сказал Мазин, — потому что мы можем лучше разрешать спектры объектов, на которые мы смотрим».

Различные явления испускают фотоны с определенными спектрами (или длинами волн), и разные молекулы поглощают фотоны с разными длинами волн. Используя этот свет, ученые могут использовать спектроскопию для определения состава объектов как поблизости, так и во всей видимой Вселенной.

Мазин особенно заинтересован в применении этих детекторов в науке об экзопланетах. Прямо сейчас ученые могут проводить спектроскопию только для крошечного подмножества экзопланет. Планета должна пройти между своей звездой и Землей, и у нее должна быть плотная атмосфера, чтобы через нее проходило достаточно света для работы исследователей. Тем не менее, отношение сигнал/шум ужасное, особенно для каменистых планет, сказал Мазин.

С лучшими MKID ученые могут использовать свет, отраженный от поверхности планеты, а не проходящий только через ее узкую атмосферу. Вскоре это станет возможным благодаря возможностям 30-метровых телескопов следующего поколения.

Группа Мазина также экспериментирует с совершенно другим подходом к проблеме потери энергии . Хотя результаты, полученные в этой статье, впечатляют, Мазин сказал, что, по его мнению, метод индия может устареть, если его команда добьется успеха в этом новом начинании. В любом случае, добавил он, ученые быстро приближаются к своим целям.