Om te onderzoeken hoe sterren en planeten worden geboren, moeten we een kijkje nemen binnenin hun kraamkamers die verscholen liggen achter koude stofwolken. Ver-infraroodtelescopen zijn in staat om recht door die wolken heen te kijken. Traditioneel worden daarbij niobiumnitride bolometers gebruikt als detectoren, ondanks hun lage werktemperatuur van vier Kelvin (-269° Celsius). Nu heeft Yuner Gan (SRON/RUG), samen met een team van wetenschappers van SRON, TU Delft, Chalmers University en de RUG, een nieuw type bolometer ontwikkeld, gemaakt van magnesium diboride, met een werktemperatuur van twintig Kelvin of hoger. Dat kan een significante reductie opleveren in kosten, complexiteit, gewicht en volume van ruimte-instrumenten. Publicatie op 17 februari in Journal of Applied Physics.

Conventionele, supergeleidende niobiumnitride (NbN) hot electron bolometers (HEBs) zijn tot dusver de meest gevoelige heterodyne detectoren voor hoge-resolutie spectroscopie op ver-infrarood frequenties. Heterodyne detectoren gebruiken een lokale oscillator om een terahertz-lijn om te zetten in een gigahertz-lijn. Daardoor kunnen ze niet alleen de intensiteit van een signaal uit de ruimte tot in groot detail meten, maar ook de frequentie. Heterodyne detectoren zijn al met succes gebruikt in ballon- en ruimtemissies en zijn kandidaat om ook in toekomstige missies te fungeren. Grondtelescopen kunnen ver-infrarood straling niet zien omdat het door de aardatmosfeer wordt geblokkeerd.

Een nadeel van heterodyne detectoren is hun bandbreedte, die slechts een beperkt stukje spectrum dekt. Een andere beperking is de lage werktemperatuur. Afkoelen tot vier Kelvin—met een vat vloeibaar helium danwel een mechanische pulsbuis—is ongewenst voor een ruimtetelescoop vanwege de begrenzingen op massa, volume, elektrisch vermogen en kosten.

Yuner Gan en haar collega’s hebben nu ver-infrarood HEB-detectoren ontwikkeld op basis van een nieuw supergeleidend materiaal—magnesium diboride (MgB2)—dat een relatief hoge kritische temperatuur heeft van 39 Kelvin. Dit stelt ze in staat om een hogere werktemperatuur te krijgen, van twintig Kelvin of hoger. Ze hebben ook laten zien dat de nieuwe HEBs een veelbelovende gevoeligheid en een veel grotere bandbreedte hebben.

SRON is verantwoordelijk voor het algehele project. De fabricatie van de detectoren kwam voor rekening van de TU Delft. De MgB2 dunne film is gemaakt op Chalmers University.

Publicatie

De publicatie in Journal of Applied Physics is geselecteerd voor de Special Collection Recognizing Women in Applied Physics.

Y. Gan, B. Mirzaei, J.R.G. Silva, S. Cherednichenko, F. van der Tak, and J.R. Gao, ‘Heterodyne performance and characteristics of terahertz MgB2 hot electron bolometers’, J. Applied Physics

Credit header image: Yuner Gan