(English follows Dutch)

TES-bolometers met gelijktijdige uitlezing van meerdere pixels zijn de beoogde detectietechniek voor een aantal ruimtemissies voor submillimeter en ver-infrarode golflengtes, zoals LiteBIRD en OST. Qian Wang, promovendus bij SRON en de RUG, heeft nu een simultane uitlezing ontwikkeld voor zestig TES-bolometers. Publicatie in Applied Physics Letters.

Licht vanuit het diepe heelal met submillimeter en ver-infrarode golflengtes kan grote afstanden afleggen, dwars door gigantische stofwolken, en geeft ons daarmee informatie over de geschiedenis van het universum en de oorsprong van sterrenstelsels, sterren en planeten. Maar de lange reis zwakt de signalen af. Dus hebben we ruimte-instrumenten nodig met gevoelige sensoren, die werken bij temperaturen van slechts enkele milliKelvin.

Transition edge sensor (TES) bolometers zijn supergeleidende detectoren die gebruikmaken van de ineenstorting van de supergeleidende toestand en de bijbehorende scherpe toename in weerstand wanneer de temperatuur zelfs maar een beetje hoger wordt. Hun weerstand is dus extreem gevoelig voor temperatuurveranderingen, veroorzaakt door het verwarmende vermogen van licht. Als het materiaal wordt opgewarmd door invliegende fotonen, produceert de kleine temperatuursverandering een meetbare stroom in de detector.

De uitdagingen voor TES-technologie op ruimtemissies betreffen niet alleen de gevoeligheid, maar ook het uitlezen van meerdere pixels tegelijk. Zonder deze zogenoemde multiplexing—het combineren van de signalen vanuit vele pixels in een dubbeldraad—zoud hun bedrading voor elke pixel teveel hitte genereren. Dat zou het onmogelijk maken om de detectoren gekoeld te houden vlakbij het absolute nulpunt.

Eerste auteur Qian Wang, die samenwerkt met Pourya Khosropanah en andere leden van het SAFARI-FDM team bij SRON, geleid door Gert de Lange, heeft nu een frequency division multiplexing (FDM) systeem ontwikkeld dat zestig bolometers simultaan kan uitlezen met gebruik van slechts een dubbeldraad en een versterker. De uitlees-ruis is lager dan bij eerdere publicaties van SRON en andere ruimte-laboratoria, tot een Noise Equipment Power van 0.45 aW/ÖHz. De gevoeligheid is in de multiplexing uitleesmodus hetzelfde als in de enkele-pixel modus. De onderzoekers verwachten dat ze tenminste 130 pixels tegelijk kunnen uitlezen als ze de frequentierange uitbreiden voor de huidige FDM-setup. De resultaten laten zien dat de uitleestechniek voldoet aan de vereisten voor de Japanse LiteBIRD-ruimtemissie en dat FDM-technologie een optie is voor NASA’s OST-missie op de lange termijn.

Onderschrift afbeelding: Deel van een TES-bolometer array. Elke pixel bestaat uit een TES-thermometer en een dunne tantalium absorber.

Publicatie

Q. Wang, P. Khosropanah, J. van der Kuur, G. de Lange, M. D. Audley, A. Aminaei, M. L. Ridder, A. J. van der Linden, M. P. Bruijn, F. van der Tak, and J. R. Gao, Frequency division multiplexing readout of 60 low-noise transition-edge sensor bolometers, Appl. Phys. Lett. 119, 182602 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0065570

Simultaneous readout of 60 bolometers for far-infrared space telescopes

TES bolometers with simultaneous readout of multiple pixels are the candidate detector technology for a number of space missions for sub-millimeter and far-infrared wavelengths, such as LiteBIRD and OST. Qian Wang, a PhD student at SRON and RUG, has demonstrated a simultaneous readout of 60 TES bolometers. Publication in Applied Physics Letters.

Light with sub-millimeter and far-infrared wavelengths from deep space can travel long distances, penetrating right through dust clouds, and brings us information about the history of the universe and the origin of galaxies, stars and planets. However, the long journey has weakened these signals. So we require sensitive detectors operating at a millikelvin temperatures on a space instrument.

Transition edge sensor (TES) bolometers are superconducting detectors taking advantage of the collapse of the superconducting state and therefore a steep increase in the resistance when its temperature even slightly increases. So, their resistance is extremely sensitive to a change of the temperature, caused by the heating power from light. When heated by incoming photons, the tiny change of the temperature can produce measurable current responses in the detector.

Challenges of TES technology used in space missions are not only the sensitivity, but also reading out multiple pixels at the same time. Without this so-called multiplexing—combining the signals from many pixels into a single paired wire—their connecting wires for each pixel would generate too much heat, making it impossible to keep the detectors at the necessary temperature close to absolute zero.

Qian Wang, working closely with Pourya Khosropanah and other members of the SAFARI-FDM team at SRON, led by Gert de Lange, has demonstrated a frequency division multiplexing (FDM) system that can read out 60 TES bolometers simultaneously using only a single paired wire and an amplifier.  The readout noise is lower compared to previous work reported at SRON and by other laboratories, down to a Noise Equipment Power of 0.45 aW/ÖHz. The sensitivities measured in the multiplexing working mode are the same as in a single pixel mode. The researchers expect to read out at least 130 pixels simultaneously if they extend the frequency range used for the current FDM setup. The result demonstrates that the readout technology meets the requirements of the Japanese LiteBIRD space mission and that FDM technology is an option for NASA’s OST mission in the long-term.

Caption header image: Part of a TES bolometer array. Each pixel consists of a TES thermometer and thin tantalum absorber.

Publication

Q. Wang, P. Khosropanah, J. van der Kuur, G. de Lange, M. D. Audley, A. Aminaei, M. L. Ridder, A. J. van der Linden, M. P. Bruijn, F. van der Tak, and J. R. Gao, Frequency division multiplexing readout of 60 low-noise transition-edge sensor bolometers, Appl. Phys. Lett. 119, 182602 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0065570