Auf einem Hochplateau in der chilenischen Atacama-Wüste nimmt ein lang erwartetes Observatorium Gestalt an: die größte Gruppe bodengestützter Teleskope, die sich der Erforschung des ältesten Lichts im Universum widmen: der Strahlung, die vom Urknall übrig geblieben ist.
Astronomen haben jahrzehntelang diese Urstrahlung untersucht, die als kosmischer Mikrowellenhintergrund (Cosmic Microwave Background, CMB) bekannt ist und das Universum durchflutet und eine Momentaufnahme davon liefert, wie der 14 Milliarden Jahre alte Kosmos in seinen Anfängen, nur 380.0000 Jahre später, aussah seine gewaltsame Geburt. Zu diesem Zeitpunkt wurde das Universum so kühl, dass Elektronen und Atomkerne zu Atomen verschmelzen konnten und Licht zum ersten Mal ungehindert in den Weltraum strömen konnte.
Die Gruppe von Teleskopen in Chile, die zusammen als Simons-Observatorium bekannt ist, bietet einen entscheidenden Vorteil gegenüber anderen ähnlichen Instrumenten: Sie verfügt über eine neue Generation äußerst empfindlicher Mikrowellendetektoren und ein hochentwickeltes Auslesesystem, beides von Wissenschaftlern des National Institute of entwickelt Standards und Technologie (NIST).
Die vom NIST entwickelten Detektoren, sogenannte Transition-Edge-Sensor-Bolometer, sind Wärmesensoren, die aus dünnen Materialfilmen bestehen, die auf ein Zehntel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt sind. Die Bolometer wirken wie Miniaturthermometer und können winzige Temperaturschwankungen im CMB über mehr als 40 Prozent des Himmels erkennen, bemerkte NIST-Wissenschaftler Johannes Hubmayr.
Diese winzigen heißen und kalten Flecken in der Strahlung, die leichten Über- und Unterdichten im frühen Universum entsprechen, stellen die Keime dar, aus denen sich Galaxien bildeten. (Die Bolometer zeichnen auch Muster unterschiedlicher Polarisationen im CMB auf – Schwankungen im elektrischen Feld der Strahlung –, die Informationen über das Universum einen Augenblick nach dem Urknall kodieren.)
Um die Temperatur zu messen, legen Forscher eine kleine Spannung an die Bolometer an, die die gekühlten Detektoren zwischen zwei Zuständen balanciert – supraleitend, in dem der Strom frei und ohne Widerstand fließt, und nicht supraleitend, in dem der Strom auf Widerstand trifft. Wenn die Sensoren Energie aus der einfallenden CMB-Strahlung absorbieren, erhöht sich ihr elektrischer Widerstand, was zu einer Verringerung der durch sie fließenden Strommenge führt. Der Stromabfall liefert ein Maß für die Temperatur des CMB an einem bestimmten Punkt am Himmel.
Die gleichzeitige Verarbeitung der Signale von 67.080 ultrakalten Bolometern am Simons-Observatorium stellt jedoch eine Herausforderung dar. Es ist praktisch unmöglich, einen Draht von jedem der Detektoren an ein Raumtemperatur-Anzeigegerät anzuschließen, ohne die Bolometer auf eine Temperatur zu erhitzen, die außerhalb ihres engen Betriebsbereichs liegt.
NIST-Forscher, darunter John Mates, haben eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, Signale von Tausenden Bolometern auf einem einzigen Kabel zu kombinieren. Die Technik, die auf Geräten basiert, die als SQUIDs bekannt sind, wandelt die von jedem Bolometer gemessene Stromänderung in eine Frequenzverschiebung eines winzigen Resonators um. Durch die Kombination der einzigartigen Frequenzverschiebungen, die durch Tausende einzelner Bolometer hervorgerufen werden, auf einem einzigen Kabel konnte das NIST-Team die Anzahl der Raumtemperaturverbindungen und das Potenzial für Wärmeübertragung drastisch reduzieren.
Für das Observatorium stellten die NIST-Forscher mehr als 2.000 winzige Resonatoren und SQUIDs auf einem einzigen Siliziumwafer her. Über einen Zeitraum von zwei Jahren stellte das Team mehr als 50 dieser Wafer her, die zum Auslesen der Übergangskantensensor-Bolometer verwendet werden. Forscher haben noch nie zuvor eine so große Menge hochwertiger supraleitender Schaltkreise geliefert.
In ihrer jüngsten Studie zeigten die Wissenschaftler, dass sie nur vier der 32 auf jedem Wafer untergebrachten Chips elektronisch testen mussten, um die Funktion des gesamten Wafers zu überprüfen.
Hubmayr, Mates, Dante Jones und ihre NIST-Kollegen haben dem NIST einen Bericht über ihre Arbeit vorgelegt Zeitschrift für thermische Physik.
Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von NIST erneut veröffentlicht. Lesen Sie die Originalgeschichte Hier.