Onderzoekers van SRON en de TU Delft hebben voor het eerst bewezen dat een speciale, op  supergeleiding gebaseerde detector gevoelig genoeg is om op een ruimtetelescoop te worden gebruikt. Daarmee lost de detector na een decennium van onderzoek zijn belofte in. De resultaten van het onderzoek zijn vandaag verschenen in het vakblad Nature Communications.

De onderzoekers gebruikten voor hun onderzoek een diep gekoelde testopstelling bij SRON. Hiermee is het mogelijk de omstandigheden na te bootsen die zullen heersen rond de detector array van een instrument op bijvoorbeeld de Japans-Europese ruimtetelescoop SPICA, die aan de hand van onder andere submillimeterstraling uit het heelal onderzoek aan vroege sterrenstelsels moet gaan doen. Submillimeterstraling heeft golflengten die tussen die van infrarood- en radiostraling in zitten.
De submillimeterstraling uit het heelal bootsten de onderzoekers na door een thermische stralingsbron op te warmen. Speciale filters zorgden er vervolgens voor dat alleen submillimeterstraling (met een frequentie van 1.5 THz) de detector kon bereiken. In de opstelling plaatsen onderzoekers Pieter de Visser en Jochem Baselmans de door SRON en de TU Delft ontwikkelde Kinetische Inductie Detectoren (KIDs). Deze zijn gebaseerd op supergeleidende microgolfresonatoren, waarvan er duizenden met slechts één paar kabels kunnen worden uitgelezen (zie afbeelding). Dezelfde technologie wordt ook gebruikt om een kwantumcomputer te bouwen.

Ruimtetelescoop
De Visser (TU Delft/SRON) en Baselmans (SRON): ‘Wat aan dit werk nieuw is, is dat we de fluctuaties in het elektron-systeem van de supergeleider hebben bestudeerd met en zonder straling. Daardoor begrijpen we veel beter hoe de supergeleider reageert op heel kleine hoeveelheden straling, wat essentieel is voor een ultragevoelige detector. Hiermee hebben we eindelijk laten zien dat de KID-detectors ook echt doen wat de pioniers 10 jaar geleden in gedachten hadden, en dat ze daadwerkelijk gevoelig genoeg zijn om op een ruimtetelescoop te worden gebruikt.’

Ruis
De enige ruis die de KID-detector waarnam, bleek overigens afkomstig te zijn van twee kwantummechanische processen. Ten eerste is dat de ruis van de stralingsbron zelf, de zogenaamde fotonruis, die in essentie wordt veroorzaakt doordat de fotonen (lichtdeeltjes) met ongelijke tijdsintervallen bij de detector aankomen. Ten tweede is er de zogenaamde generatie-recombinatie ruis, die wordt veroorzaakt door fluctuaties in het aantal Cooperparen (paren van elektronen) en quasi-deeltjes in de supergeleider.
Het is de eerste keer dat deze twee fundamentele bronnen van ruis zo duidelijk zijn vastgesteld. De Visser en Baselmans stelden bovendien vast dat de gevoeligheid van de detector wordt begrensd door de gigahertz-signalen die worden gebruikt om de detector uit te lezen. Deze warmen de diep gekoelde detector een heel klein beetje op, waardoor de gevoeligheid ervan vermindert.

Publicatie
De resultaten van het  onderzoek zijn vandaag verschenen in een artikel dat vandaag verschijnt in het tijdschrift Nature Communications: Fluctuations in the electron system of a superconductor exposed to a photon ?ux. Nat. Commun. 5, 3130 (2014).  De auteurs zijn: Pieter de Visser (TU Delft, SRON), Jochem Baselmans (SRON), Juan Bueno (SRON), Nuria Llombart (TU Delft) en Teun Klapwijk (TU Delft).