Onderzoekers van SRON en TU Delft hebben bolometer-detectoren dertig procent gevoeliger gemaakt. Bolometers vormen het hart van terahertz-spectrometers die kleuren onderscheiden tot wel een miljoenste van hun golflengte. Dat is nodig om astrofysische processen te bestuderen zoals de geboorte van sterren en planeten uit gas- en stofwolken. De verbetering kan de tijd halveren die een ruimtetelescoop nodig heeft om een spectrum te maken.
Hot Electron Bolometers (HEBs) converteren inkomende terahertz-signalen vanuit het heelal naar gigahertz-signalen. Die zijn makkelijker te registreren voor spectrometers. Tijdens hun vormingsproces zenden sterren en planeten voornamelijk terahertzstraling uit. Dus om te begrijpen wat daar gebeurt moeten astronomen spectra opnemen op die frequenties.
SRON heeft HEBs al succesvol toegepast in verschillende terahertzmissies, in de stratosfeer en in de ruimte, waaronder ESA’s Herschel ruimteobservatorium en NASA’s GUSTO ballontelescoop. De aardatmosfeer blokkeert terahertzstraling, waardoor telescopen op grote hoogte of in de ruimte moeten vliegen.
Een team van SRON en TU Delft heeft nu een ongekend hoge gevoeligheid bereikt met HEBs op 1,6 en 2,5 terahertz. Ze hebben verschillende verbeteringen doorgevoerd in het ontwerp, met als meest in het oog springend de toevoeging van een dikke gouden antenne. Bij SRON hebben Jose Silva, Willem-Jan Vreeling en Wouter Laauwen de metingen en data-analyse uitgevoerd, terwijl Behnam Mirzaei en Dingding Ren op de TU Delft het ontwerp, de simulatie en de fabricatie van de detectoren voor hun rekening hebben genomen. Het team staat onder leiding van Jian-Rong Gao.
‘De nieuwe HEBs waren oorspronkelijk bedoeld voor de voorgestelde NASA-missies OASIS en SALTUS,’ zegt Gao. ‘Maar die werden niet geselecteerd. Toch verwacht ik dat deze nieuwe HEBs een grote rol gaan spelen in toekomstige ruimtemissies, waar hoge gevoeligheid en efficiënte data-collectie cruciaal zijn. Met het halveren van de integratietijd stellen we wetenschappers in staat om meer data te verzamelen in een kortere tijd, zodat de kosten omlaag gaan en de mogelijkheden voor grote ontdekkingen worden uitgebreid.’
De resultaten zijn gepubliceerd in IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology.
Researchers at SRON and TU Delft have made bolometer detectors thirty percent more sensitive. Bolometers form the heart of terahertz spectrometers that can distinguish colors up to one-millionth of their wavelength. This is needed to observe astrophysical processes such as the birth of stars and planets from gas and dust clouds. The enhancement should cut the time in half that it takes a space telescope to take a spectrum.
Hot Electron Bolometers (HEBs) convert incoming terahertz signals from the Universe into gigahertz signals. Those are more easily recorded by spectrometers. In their forming stages, stars and planets mostly emit terahertz radiation. So in order to understand what happens there, astronomers have to capture spectra at those frequencies.
HEBs have already been successfully applied by SRON in various terahertz stratospheric and space telescopes, including ESA’s Herschel space observatory and NASA’s GUSTO balloon telescope. The Earth’s atmosphere blocks terahertz radiation, so it can only be observed at high altitude or from space.
A team from SRON and TU Delft has now demonstrated an unprecedented high sensitivity at 1.6 and 2.5 terahertz. They introduced several design improvements, with the most notable innovation being the addition of a thick gold antenna. At SRON, Jose Silva, Willem-Jan Vreeling and Wouter Laauwen conducted measurements and data analysis, while Behnam Mirzaei and Dingding Ren at TU Delft handled the design, simulation, and fabrication of the detectors. This team is led by Jian-Rong Gao.
‘The new HEBs were initially intended for the proposed NASA space missions OASIS and SALTUS,’ says Gao. ‘But those were not selected. Nevertheless, I expect the higher sensitivity to impact future space missions where high sensitivity and efficient data collection are crucial. By halving the integration time, we enable scientists to gather more data in shorter time frames, reducing mission costs and expanding the potential for groundbreaking discoveries.’
The results of this study have been published in IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology.