Die Energie im Raum halten

Es mag den Anschein haben, als würde sich die Technologie Jahr für Jahr wie von Zauberhand weiterentwickeln. Aber hinter jeder schrittweisen Verbesserung und bahnbrechenden Revolution steht ein Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren, die hart arbeiten.

Professor Ben Mazin von der UC Santa Barbara entwickelt optische Präzisionssensoren für Teleskope und Observatorien. In einer Veröffentlichung in Briefe zur körperlichen Überprüfungverbesserten er und sein Team die Spektrenauflösung ihres supraleitenden Sensors, ein wichtiger Schritt in Richtung ihres Endziels: der Analyse der Zusammensetzung von Exoplaneten.

„Wir konnten das spektrale Auflösungsvermögen unserer Detektoren etwa verdoppeln“, sagt Erstautor Nicholas Zobrist, Doktorand im Mazin Lab.

„Dies ist die größte Erhöhung der Energieauflösung, die wir je gesehen haben“, fügte Mazin hinzu. „Es eröffnet einen ganz neuen Weg zu wissenschaftlichen Zielen, die wir vorher nicht erreichen konnten.“

Das Mazin-Labor arbeitet mit einem Sensortyp namens MKID. Die meisten Lichtdetektoren – wie der CMOS-Sensor in einer Telefonkamera – sind Halbleiter auf Siliziumbasis. Diese funktionieren über den photoelektrischen Effekt: Ein Photon trifft auf den Sensor und schlägt ein Elektron ab, das dann als Signal erkannt werden kann, das von einem Mikroprozessor verarbeitet werden kann.

Ein MKID verwendet einen Supraleiter, in dem Strom ohne Widerstand fließen kann. Neben dem Nullwiderstand haben diese Materialien weitere nützliche Eigenschaften. Zum Beispiel haben Halbleiter eine Lückenenergie, die überwunden werden muss, um das Elektron herauszuschlagen. Die zugehörige Lückenenergie in einem Supraleiter ist etwa 10.000-mal geringer, sodass er selbst schwache Signale erkennen kann.

Darüber hinaus kann ein einzelnes Photon viele Elektronen aus einem Supraleiter schlagen, im Gegensatz zu nur einem in einem Halbleiter. Durch die Messung der Anzahl beweglicher Elektronen kann ein MKID tatsächlich die Energie (oder Wellenlänge) des einfallenden Lichts bestimmen. „Und die Energie des Photons oder seine Spektren sagt uns viel über die Physik dessen aus, was dieses Photon emittiert hat“, sagte Mazin.

Austretende Energie

Die Forscher waren an eine Grenze gestoßen, wie empfindlich sie diese MKIDs machen konnten. Nach eingehender Prüfung entdeckten sie, dass Energie aus dem Supraleiter in den Saphirkristall-Wafer leckte, auf dem das Gerät hergestellt wurde. Infolgedessen erschien das Signal schwächer, als es wirklich war.

In der typischen Elektronik wird Strom von beweglichen Elektronen getragen. Aber diese neigen dazu, mit ihrer Umgebung zu interagieren, sich zu zerstreuen und Energie zu verlieren, was als Widerstand bekannt ist. In einem Supraleiter paaren sich zwei Elektronen – ein Spin-Up und ein Spin-Down – und dieses Cooper-Paar, wie es genannt wird, kann sich ohne Widerstand bewegen.

„Es ist wie ein Paar in einem Club“, erklärte Mazin. „Du hast zwei Leute, die sich paaren, und dann können sie sich ohne Widerstand gemeinsam durch die Menge bewegen.

In einem Supraleiter sind alle Elektronen gepaart. „Sie tanzen alle zusammen, bewegen sich herum, ohne viel mit anderen Paaren zu interagieren, weil sie sich alle tief in die Augen blicken.

„Ein Photon, das auf den Sensor trifft, ist wie jemand, der hereinkommt und einen Drink auf einen der Partner verschüttet“, fuhr er fort. „Das trennt das Paar, was dazu führt, dass ein Partner in andere Paare stolpert und eine Störung verursacht.“ Dies ist die Kaskade beweglicher Elektronen, die das MKID misst.

Aber manchmal passiert das am Rande der Tanzfläche. Die beleidigte Partei stolpert aus dem Club, ohne jemanden anzustoßen. Großartig für den Rest der Tänzer, aber nicht für die Wissenschaftler. Wenn dies im MKID passiert, wird das Lichtsignal schwächer erscheinen, als es tatsächlich war.

Sie einzuzäunen

Mazin, Zobrist und ihre Co-Autoren entdeckten, dass eine dünne Schicht des Metalls Indium – platziert zwischen dem supraleitenden Sensor und dem Substrat – die aus dem Sensor austretende Energie drastisch reduzierte. Das Indium wirkte im Wesentlichen wie ein Zaun um die Tanzfläche, hielt die angerempelten Tänzer im Raum und interagierte mit dem Rest der Menge.

Sie entschieden sich für Indium, weil es bei den Temperaturen, bei denen das MKID betrieben wird, auch ein Supraleiter ist und benachbarte Supraleiter dazu neigen, zusammenzuarbeiten, wenn sie dünn sind. Das Metall stellte das Team jedoch vor eine Herausforderung. Indium ist weicher als Blei und neigt daher zum Verklumpen. Das ist nicht gut für die Herstellung der dünnen, gleichmäßigen Schicht, die die Forscher brauchten.

Aber ihre Zeit und Mühe zahlten sich aus. Die Technik reduzierte die Messunsicherheit der Wellenlänge von 10 % auf 5 %, berichtet die Studie. Mit diesem System können beispielsweise Photonen mit einer Wellenlänge von 1.000 Nanometern jetzt auf 50 nm genau gemessen werden. „Dies hat echte Auswirkungen auf die Wissenschaft, die wir betreiben können“, sagte Mazin, „weil wir die Spektren der Objekte, die wir betrachten, besser auflösen können.“

Unterschiedliche Phänomene emittieren Photonen mit spezifischen Spektren (oder Wellenlängen) und unterschiedliche Moleküle absorbieren Photonen unterschiedlicher Wellenlängen. Mit diesem Licht können Wissenschaftler mithilfe der Spektroskopie die Zusammensetzung von Objekten sowohl in der Nähe als auch im gesamten sichtbaren Universum identifizieren.

Mazin ist besonders daran interessiert, diese Detektoren in der Exoplanetenforschung einzusetzen. Derzeit können Wissenschaftler nur eine winzige Untergruppe von Exoplaneten spektroskopieren. Der Planet muss zwischen seinem Stern und der Erde hindurchgehen, und er muss eine dichte Atmosphäre haben, damit genug Licht durch ihn dringt, damit die Forscher damit arbeiten können. Dennoch ist das Signal-Rausch-Verhältnis miserabel, insbesondere für Gesteinsplaneten, sagte Mazin.

Mit besseren MKIDs können Wissenschaftler Licht verwenden, das von der Oberfläche eines Planeten reflektiert wird, anstatt nur durch seine enge Atmosphäre übertragen zu werden. Mit den Fähigkeiten der nächsten Generation von 30-Meter-Teleskopen wird dies bald möglich sein.

Die Mazin-Gruppe experimentiert auch mit einer völlig anderen Herangehensweise an das Problem des Energieverlusts. Obwohl die Ergebnisse dieser Veröffentlichung beeindruckend sind, glaubt Mazin, dass die Indium-Technik veraltet sein könnte, wenn sein Team mit diesem neuen Unterfangen erfolgreich ist. Wie auch immer, fügte er hinzu, die Wissenschaftler näherten sich schnell ihren Zielen.