Garder l’énergie dans la pièce

Il peut sembler que la technologie progresse année après année, comme par magie. Mais derrière chaque amélioration progressive et chaque révolution révolutionnaire se cache une équipe de scientifiques et d’ingénieurs qui travaillent dur.

Le professeur Ben Mazin de l’UC Santa Barbara développe des capteurs optiques de précision pour les télescopes et les observatoires. Dans un article publié dans Lettres d’examen physiquelui et son équipe ont amélioré la résolution spectrale de leur capteur supraconducteur, une étape majeure dans leur objectif ultime : analyser la composition des exoplanètes.

« Nous avons pu à peu près doubler le pouvoir de résolution spectrale de nos détecteurs », a déclaré le premier auteur Nicholas Zobrist, doctorant au Mazin Lab.

« Il s’agit de la plus grande augmentation de résolution d’énergie que nous ayons jamais vue », a ajouté Mazin. « Cela ouvre une toute nouvelle voie vers des objectifs scientifiques que nous ne pouvions pas atteindre auparavant. »

Le laboratoire Mazin travaille avec un type de capteur appelé MKID. La plupart des détecteurs de lumière, comme le capteur CMOS d’une caméra de téléphone, sont des semi-conducteurs à base de silicium. Ceux-ci fonctionnent par effet photoélectrique : un photon frappe le capteur, faisant tomber un électron qui peut alors être détecté comme un signal apte à être traité par un microprocesseur.

Un MKID utilise un supraconducteur, dans lequel l’électricité peut circuler sans résistance. En plus d’une résistance nulle, ces matériaux ont d’autres propriétés utiles. Par exemple, les semi-conducteurs ont une énergie d’écart qui doit être surmontée pour assommer l’électron. L’énergie d’écart associée dans un supraconducteur est environ 10 000 fois inférieure, de sorte qu’il peut détecter même des signaux faibles.

De plus, un seul photon peut faire tomber de nombreux électrons d’un supraconducteur, par opposition à un seul dans un semi-conducteur. En mesurant le nombre d’électrons mobiles, un MKID peut en fait déterminer l’énergie (ou la longueur d’onde) de la lumière entrante. « Et l’énergie du photon, ou ses spectres, nous en dit long sur la physique de ce qui a émis ce photon », a déclaré Mazin.

Fuite d’énergie

Les chercheurs avaient atteint une limite quant à la sensibilité de ces MKID. Après un examen minutieux, ils ont découvert que l’énergie s’échappait du supraconducteur dans la tranche de cristal de saphir sur laquelle l’appareil est fabriqué. En conséquence, le signal est apparu plus faible qu’il ne l’était réellement.

Dans l’électronique typique, le courant est transporté par des électrons mobiles. Mais ceux-ci ont tendance à interagir avec leur environnement, se dispersant et perdant de l’énergie dans ce qu’on appelle la résistance. Dans un supraconducteur, deux électrons vont s’apparier – un spin up et un spin down – et cette paire de Cooper, comme on l’appelle, est capable de se déplacer sans résistance.

« C’est comme un couple dans un club », a expliqué Mazin. « Vous avez deux personnes qui s’associent, puis elles peuvent se déplacer ensemble dans la foule sans aucune résistance. Alors qu’une seule personne s’arrête pour parler à tout le monde en cours de route, ce qui les ralentit. »

Dans un supraconducteur, tous les électrons sont appariés. « Ils dansent tous ensemble, se déplacent sans beaucoup interagir avec d’autres couples parce qu’ils se regardent tous profondément dans les yeux.

« Un photon frappant le capteur, c’est comme si quelqu’un arrivait et renversait un verre sur l’un des partenaires », a-t-il poursuivi. « Cela brise le couple, ce qui fait qu’un partenaire tombe sur d’autres couples et crée une perturbation. » C’est la cascade d’électrons mobiles que mesure le MKID.

Mais parfois, cela se produit au bord de la piste de danse. La partie offensée trébuche hors du club sans heurter personne d’autre. Idéal pour le reste des danseurs, mais pas pour les scientifiques. Si cela se produit dans le MKID, le signal lumineux semblera plus faible qu’il ne l’était réellement.

Les clôturer

Mazin, Zobrist et leurs co-auteurs ont découvert qu’une fine couche d’indium métallique – placée entre le capteur supraconducteur et le substrat – réduisait considérablement l’énergie qui s’échappait du capteur. L’indium agissait essentiellement comme une clôture autour de la piste de danse, gardant les danseurs bousculés dans la salle et interagissant avec le reste de la foule.

Ils ont choisi l’indium car c’est aussi un supraconducteur aux températures auxquelles le MKID fonctionnera, et les supraconducteurs adjacents ont tendance à coopérer s’ils sont minces. Le métal a cependant présenté un défi à l’équipe. L’indium est plus mou que le plomb, il a donc tendance à s’agglutiner. Ce n’est pas idéal pour créer la couche mince et uniforme dont les chercheurs avaient besoin.

Mais leur temps et leurs efforts ont payé. La technique a réduit l’incertitude de mesure de la longueur d’onde de 10% à 5%, rapporte l’étude. Par exemple, les photons d’une longueur d’onde de 1 000 nanomètres peuvent maintenant être mesurés avec une précision de 50 nm avec ce système. « Cela a de réelles implications pour la science que nous pouvons faire », a déclaré Mazin, « car nous pouvons mieux résoudre les spectres des objets que nous regardons. »

Différents phénomènes émettent des photons avec des spectres (ou longueurs d’onde) spécifiques, et différentes molécules absorbent des photons de différentes longueurs d’onde. En utilisant cette lumière, les scientifiques peuvent utiliser la spectroscopie pour identifier la composition des objets à la fois à proximité et dans tout l’univers visible.

Mazin s’intéresse particulièrement à l’application de ces détecteurs à la science des exoplanètes. À l’heure actuelle, les scientifiques ne peuvent effectuer de spectroscopie que pour un petit sous-ensemble d’exoplanètes. La planète doit passer entre son étoile et la Terre, et elle doit avoir une atmosphère épaisse pour que suffisamment de lumière la traverse pour que les chercheurs puissent travailler avec. Pourtant, le rapport signal sur bruit est abyssal, en particulier pour les planètes rocheuses, a déclaré Mazin.

Avec de meilleurs MKID, les scientifiques peuvent utiliser la lumière réfléchie par la surface d’une planète, plutôt que transmise uniquement à travers son atmosphère étroite. Cela sera bientôt possible grâce aux capacités de la prochaine génération de télescopes de 30 mètres.

Le groupe Mazin expérimente également une approche complètement différente de la question des déperditions énergétiques. Bien que les résultats de cet article soient impressionnants, Mazin a déclaré qu’il pensait que la technique de l’indium pourrait être obsolète si son équipe réussissait avec cette nouvelle entreprise. Quoi qu’il en soit, a-t-il ajouté, les scientifiques se rapprochent rapidement de leurs objectifs.