Um zu untersuchen, wie Sterne und Planeten entstehen, müssen wir Sternenwiegen betrachten, die in kühlen Staubwolken verborgen sind. Ferninfrarotteleskope können diese Wolken durchdringen. Üblicherweise werden Niobnitrid-Bolometer als Detektoren eingesetzt, trotz ihrer niedrigen Betriebstemperatur von 4 Kelvin (-269° Celsius).
Jetzt hat Yuner Gan (SRON/RUG) zusammen mit einem Team von Wissenschaftlern der SRON, der TU Delft, der Chalmers University und der RUG einen neuartigen Bolometertyp aus Magnesiumdiborid mit einer Betriebstemperatur von 20 Kelvin oder mehr entwickelt. Dies kann die Kosten, die Komplexität, das Gewicht und das Volumen der Weltrauminstrumente erheblich reduzieren.
Herkömmliche, supraleitende Hot-Electron-Bolometer (HEBs) aus Niobnitrid (NbN) sind bisher die empfindlichsten Heterodyn-Detektoren für hochauflösende Spektroskopie bei Frequenzen im fernen Infrarot. Überlagerungsdetektoren nutzen einen lokalen Oszillator, um eine Terahertz-Linie in eine Gigahertz-Linie umzuwandeln.
Damit können sie nicht nur die Intensität sehr detailliert messen, sondern auch die Frequenz. Überlagerungsdetektoren wurden erfolgreich in Ballon- und Weltraumteleskopen eingesetzt und sind Kandidaten für zukünftige Missionen. Bodenteleskope können keine Ferninfrarotstrahlung sehen, da sie von der Erdatmosphäre blockiert wird.
Ein Nachteil solcher Detektoren ist ihre Bandbreite, die eine begrenzte Spektrallinie in einer Messung abdeckt. Eine weitere Einschränkung ergibt sich aus der niedrigen Betriebstemperatur. Das Abkühlen auf 4 Kelvin, entweder durch Verwendung eines Behälters mit flüssigem Helium oder eines mechanischen Impulsrohrs, ist für ein Weltraumobservatorium unter Berücksichtigung der Beschränkungen in Bezug auf Masse, Volumen, elektrische Leistung und Kosten unerwünscht.
Yuner Gan und ihre Kollegen haben nun einen Ferninfrarot-HEB-Detektor entwickelt, der auf einem neuen supraleitenden Material – Magnesiumdiborid (MgB2) – basiert, das eine relativ hohe kritische Temperatur von 39 Kelvin hat. Dadurch erreichen sie eine höhere Betriebstemperatur von 20 Kelvin oder mehr. Sie haben auch gezeigt, dass die neuartigen HEBs vielversprechende Empfindlichkeiten und eine stark erhöhte Frequenzbandbreite aufweisen.
Die Veröffentlichung im Zeitschrift für Angewandte Physik wurde für die Special Collection Recognizing Women in Applied Physics ausgewählt.
Mehr Informationen:
Y. Gan et al, Heterodyne Leistung und Eigenschaften von Terahertz-MgB2-Heißelektronen-Bolometern, Zeitschrift für Angewandte Physik (2023). DOI: 10.1063/5.0128791