SRON-onderzoeker Pieter de Visser heeft van NWO een ENW-M1 beurs ontvangen voor de ontwikkeling van detectoren die losse lichtdeeltjes waarnemen van planeten buiten ons zonnestelsel. Planeten zenden vooral licht uit met lage energie, zoals infraroodstraling, wat extra lastig is te detecteren. De Visser ontwikkelt zijn MKID-detectoren voor infraroodgolflengtes met het oog op ESA’s kandidaatruimtemissie LIFE.
Detectie van individuele fotonen is geen overbodige luxe bij het observeren van exoplaneten. Exoplaneten staan zo ver weg dat het meerdere seconden kan duren voordat een telescoop überhaupt een enkel lichtdeeltje opvangt. Ter vergelijking: op een meter afstand vang je met je oog biljoenen lichtdeeltjes per seconde op van een doorsnee gloeilamp. Omdat MKIDs ook de energie van elk foton meten, geven ze uiteindelijk het spectrum van een exoplaneet. Daar kunnen we uit aflezen welke stoffen in een atmosfeer aanwezig zijn. De ontdekking van bijvoorbeeld zuurstof, water of methaan zou interessant zijn in de zoektocht naar buitenaards leven.
Bij SRON ontwikkelt De Visser zijn detectoren voor mid-infrarood golflengtes wegens ESA’s kandidaat-ruimtemissie LIFE. Als die groen licht krijgt, zal het de eerste interferometer voor exoplaneten zijn. Vier geschakelde ruimtetelescopen kijken dan gezamenlijk in het infrarood naar dezelfde planeet. MKID is de enige detectietechnologie die op de golflengtes van LIFE genoeg fotonen meet om duidelijke spectra van exoplaneten te genereren. Bij andere technieken is de ruis hoger dan het daadwerkelijke signaal van de planeet.
Microwave Kinetic Inductance Detectors, kortweg MKIDs, werken op basis van het natuurkundige verschijnsel supergeleiding. Sommige materialen verliezen hun elektrische weerstand bij temperaturen nabij het absolute nulpunt. De meeste elektronen vormen dan paren, waardoor ze de intrinsieke weerstand van het materiaal omzeilen. Een wisselstroom versnelt en vertraagt elektronen, wat meer moeite kost voor losse elektronen dan voor paren. Natuurkundigen spreken dan van respectievelijk hoge en lage kinetische inductie.
Wanneer een foton vanaf een exoplaneet op een supergeleidende MKID invalt, baant die energie zich als een waterval door het materiaal, waardoor duizenden elektronparen opbreken. Een lagere dichtheid paren betekent een hogere kinetische inductie. Een MKID meet continu de kinetische inductie in zijn materiaal, zodat een invallend foton direct wordt opgemerkt. De energie van dat foton is af te lezen uit hoeveel de kinetische inductie plots toeneemt.
NWO’s Open Competitie ENW-M1 beurs geeft De Visser de beschikking over een postdoc voor drie jaar plus ondersteuning van een cleanroom-engineer.
NWO grant for detection of single photons from exoplanets
SRON researcher Pieter de Visser has received an ENW-M1 grant from NWO to develop detectors that catch individual light particles from planets outside our solar system. Planets mainly emit low-energy light, such as infrared radiation, which is particularly difficult to detect. De Visser is developing his MKID detectors for infrared wavelengths with ESA’s candidate space mission LIFE in mind.
Detection of individual photons is not just a luxury when observing exoplanets. Exoplanets are so far away that it can take several seconds for a telescope to even catch one single particle of light. By comparison, your eye catches trillions of light particles per second from an average light bulb at a meter distance. Because MKIDs also measure the energy of each photon, in the end they provide the spectrum of an exoplanet. From that, we can deduce what substances are present in an atmosphere. The discovery of for example, oxygen, water or methane would be interesting in the search for extraterrestrial life.
At SRON, De Visser is developing his detectors for mid-infrared wavelengths because of ESA’s candidate space mission LIFE. If it receives the green light, LIFE will be the first interferometer for exoplanets. Four coupled space telescopes will then jointly look at the same planet in the infrared. MKID is the only detection technology that measures enough photons at LIFE wavelengths to generate clear spectra of exoplanets. With other techniques, the noise is higher than the actual signal from the planet.
Microwave Kinetic Inductance Detectors, MKIDs for short, are based on superconductivity. Some materials lose their electrical resistance at temperatures near absolute zero. In that case most electrons form pairs, bypassing the material’s intrinsic resistance. An alternating current accelerates and decelerates electrons, which takes more effort for single electrons than for pairs. Physicists call this respectively high and low kinetic induction.
When a photon from an exoplanet hits a superconducting MKID, that energy rushes through the material like a cascade, breaking up thousands of electron pairs. A lower density of pairs means a higher kinetic induction. An MKID continuously measures the kinetic induction in its material, so an incident photon is immediately detected. The energy of that photon is determined by how much the kinetic induction suddenly increases.
NWO’s Open Competition ENW-M1 grant provides De Visser with a postdoc for three years plus support from a cleanroom engineer.