Bolometers opereren bij hogere temperatuur dankzij nieuw supergeleidend materiaal

Detectoren die bestaan uit een combinatie van een supergeleidende hot electron bolometer (HEB) en een lokale oscillator vormen de werkpaarden van de supra-terahertzastronomie. Deze detectoren bekijken bijvoorbeeld de geboorte van sterren en de evolutie van het heelal. Tot nu toe worden voor ruimte- en ballontelescopen vooral niobiumnitride HEBs gebruikt, die op lage temperaturen van 4 Kelvin moeten werken. Onderzoekers van SRON, TU Delft, RUG en Chalmers University hebben nu met succes een HEB getest die is gemaakt van magnesium diboride, een nieuw supergeleidend materiaal waardoor de detector niet alleen méér spectrale lijnen tegelijk ziet, maar ook werkt bij hogere temperaturen, rond 20 Kelvin. Hierdoor vallen de kosten, gewicht, volume en stroomverbruik van ruimte-instrumenten lager uit. Publicatie in Applied Physics Letters.

Hot electron bolometers (HEBs) van supergeleidend niobiumnitride zijn tot nu toe de gevoeligste heterodyne detectors voor hoge-resolutie spectroscopie op supraterahertz-frequenties (1 – 6 THz). Ze maken gebruik van een lokale oscillator om een terahertz-spectraallijn om te zetten in een gigahertz-lijn. Binnen dit frequentiegebied liggen veel moleculaire spectraallijnen die informatie geven over stervorming in sterrenstelsels.

De heterodyne mixers zijn al met veel succes toegepast in de SOFIA-telescoop aan boord van een Boeing 747, de ballontelescoop STO-2 en de Herscheltelescoop. Ze zijn ook geselecteerd voor de ballontelescoop GUSTO (NASA, eind 2022) en de kandidaat-ruimtemissie OASIS. Supra-terahertz frequenties kunnen niet door grondtelescopen worden gemeten omdat die straling wordt geblokkeerd door de aardatmosfeer.

Supergeleiding

Een nadeel van HEBs is dat ze een beperkt bereik hebben in de zogenaamde intermediate frequency, wat het aantal spectraallijnen limiteert dat je tegelijk kunt waarnemen. Een andere beperking is de lage temperatuur (rond 4 Kelvin) waarop de detectoren moeten opereren om supergeleiding mogelijk te maken. Afkoelen tot 4 Kelvin met behulp van een vat met vloeibaar helium of een mechanische koeler is niet de beste oplossing voor een ruimte-instrument, dat nu eenmaal gebonden is aan strikte restricties voor massa, volume, stroomverbruik en kosten.

Een team onderzoekers van SRON, TU Delft, RUG en Chalmers University heeft nu onder leiding van Jian-Rong Gao (SRON) met succes een HEB getest van magnesium diboride (MgB2), een nieuw supergeleidend materiaal. SRON-onderzoekers Yuner Gan (metingen en data-analyse) en Behnam Mirzaei (productie van de detector op de TU Delft) demonstreerden dat het nieuwe type een goede ruis-signaalverhouding op 5,3 Thz heeft, bij een operationele temperatuur van rond de 20 Kelvin.

Gan nam ook een grote bandbreedte in de intermediate frequency waar, ruim drie keer groter dan de bandbreedte van een niobium nitride HEB. Door de grotere bandbreedte kunnen onderzoekers met één meting meer spectraallijnen onderscheiden, wat waarnemingen efficiënter en nauwkeuriger maakt. De dunne magnesium diboride-film is gemaakt door Chalmers University en heeft een kritische temperatuur van 38,5 Kelvin.

Hogere temperatuur

Door de hogere operationele temperatuur is het nieuwe type detector aantrekkelijk voor de ruimtevaart omdat dan compacte, lichte en space-qualified Stirling-koelers voldoen, die weinig warmte ontwikkelen. Deze koelers kunnen leiden tot goedkopere en minder complexe ruimte-instrumenten. De nieuwe detectoren maken daarom nieuwe ruimtemissies mogelijk, zoals de middelgrote ver-infrarood missie die wordt aanbevolen in ESA’s Voyage 2050 en een nieuwe generatie terahertz-observatoria met een aantal telescopen die samen opereren als een interferometer in de ruimte.

Publicatie

Y. Gan, B. Mirzaei, J.R.G. Silva, J. Chang, S. Cherednichenko, F. van der Tak, and J.R. Gao, Low noise MgB2 hot electron bolometer mixer operated at 5.3 THz and at 20K, Appl. Phys. Lett. 119, 202601 (2021)

Image credit: NASA/JPL-Caltech/W. Reach (SSC/Caltech)

Bolometers operate at higher temperatures using new superconducting material

Receivers combining a superconducting hot electron bolometer (HEB) with a reference oscillator are the work horses of supra-terahertz astronomy, observing for example star formation and galaxy evolution. Until now, mainly niobium nitride HEBs – that have to be operated at low temperatures of 4 Kelvin – have been selected for space and balloon borne telescopes. A team of scientists at SRON, TU Delft, Chalmers University and RUG have now demonstrated a HEB based on magnesium diboride, a new superconducting material, which not only can simultaneously detect more spectral lines, but can also be operated around 20 Kelvin. The latter can significantly reduce the cost, weight, volume, and required electrical power of space instruments. Publication in Applied Physics Letters.

Superconducting niobium nitride (NbN) hot electron bolometers (HEBs) are so far the most sensitive heterodyne detectors for high-resolution spectroscopy at supra-terahertz frequencies (1 – 6 THz). They take advantage of a local oscillator to convert a THz line into a GHz line. Within this frequency range, many atomic, ionic, and molecular spectral lines provide information about star formation in galaxies.

The heterodyne mixers have been successfully applied in the SOFIA airborne telescope, the STO2 balloon telescope and the Herschel Space Observatory. They will also fly on NASA’s GUSTO balloon telescope, to be launched in the end of 2022, and have been selected as detectors for the proposed OASIS space mission. The supra-terahertz frequency range is not accessible for any ground-based telescope because the radiation is blocked by the earth’s atmosphere.

Superconducting

One drawback of HEBs is their limited intermediate frequency (IF) bandwidth, which covers a limited spectral line in one measurement. Another restriction comes from the low operating temperature (around 4 Kelvin) due to their low superconducting critical temperature of 8-10 Kelvin. Cooling down to 4 Kelvin, either by using a vessel with liquid helium or a mechanical pulse tube, is suboptimal for a space observatory considering the constraints on mass, volume, electrical power and cost.

A team of scientists at SRON, TU Delft, Chalmers University and RUG, led by Jian-Rong Gao (SRON), has recently demonstrated a HEB based on a new superconducting material of magnesium diboride (MgB2). Yuner Gan, who performed measurements and data analysis at SRON, and Behnam Mirzaei, who produced the detector at TU Delft, have shown for the first time a low-noise performance of such a detector at 5.3 THz and at an operating temperature of around 20 Kelvin.

Also, Gan measured a large IF bandwidth, which is about three times larger than the bandwidth of a NbN HEB. The larger bandwidth can cover more spectral lines within one single measurement, which makes the observations more efficient and more accurate. The MgB2 thin film was developed at Chalmers University and has a superconducting critical temperature of 38.5 Kelvin.

Higher operating temperature

The higher operating temperature of 20 Kelvin is particularly attractive for space applications because of the availability of the compact, low-mass, low-dissipation, and space qualified Stirling coolers. The latter can significantly reduce the cost and complexity of space instruments. Therefore, the new detectors can increase the opportunities for new space instruments and telescopes, such as an M-class far-infrared space mission recommended in ESA Voyage 2050 and a next generation of THz observatories with a number of telescopes operated as an interferometer in space.

Publication

Image credit: NASA/JPL-Caltech/W. Reach (SSC/Caltech)