20 jaar KIDs

Het nieuwe millennium was net begonnen, toen een groep bij het California Institute for Technology (Caltech) zat te broeden of je een lichtdeeltje uit het heelal zou kunnen meten via het natuurkundige fenomeen ‘kinetische inductie’. In de diep gekoelde toestand van een supergeleidend systeem, zwiert een paar van twee elektronen als danspartners door de supergeleider, helemaal zonder weerstand: een ‘Cooperpaar’. Maar als een foton op de koude supergeleider valt, wordt het paar uit elkaar gehaald en het supergeleidende systeem vertraagt. Die vertraging – het verschijnsel kinetische inductie – zou zo de inval van een lichtdeeltje (foton) kunnen aantonen.

Het begin: werkende resonatoren maken

“Dit idee beloofde niet alleen supergevoelige detectoren voor lastig te meten straling, maar ook dat je die in grote arrays met veel pixels tegelijk kan toepassen”, besefte Jochem Baselmans. En die grote arrays vormden nu net het knelpunt. Hij was toen een jonge onderzoeker bij SRON met zijn wortels in de supergeleiding groep van Teun Klapwijk aan de TU Delft. Hij dook drie maanden in het prille onderzoek bij Caltech en nam die kennis mee terug naar SRON om zich er voorgoed in vast te bijten. “Ik wilde nieuwe detectoren maken voor de sterrenkunde.”

“In 2005 konden we met een kleine NWO-beurs een koelsysteem kopen”, vertelt Baselmans, die steeds nauw optrok met de TU Delft. “We wilden eerst überhaupt goede microwave resonatoren maken, die kinetische inductieverandering echt goed kunnen meten. Laat staan dat je ermee kunt vaststellen dat die verandering door een foton (lichtdeeltje) uit het heelal komt. Dat zou pas veel later komen.”

Stralingsdichtheid: honderden meters aluminiumtape

“We willen detectoren maken die de allerzwakste straling nog onderscheiden. Maar dat betekent ook dat je je systeem extreem goed moet beschermen tegen stralingsinvloed uit de omgeving. Hoé goed dat moest, hebben we geweten. Al snel bleek zelfs maar het kleinste gaatje een gigántisch stralingslek te zijn.”

Zelfs honderden meters aluminiumtape waren niet genoeg om dit stralingslek te dichten. De ontwikkeling van stabiele resonatoren ging dus noodgedwongen gepaard met het ontwikkelen van extreem stralingsdichte koeleropstellingen. Bijna een onderzoeksveld op zichzelf, dat z’n eigen waardevolle oplossingen en papers voortbracht, ook relevant op het gebied van kwantumcomputers. “Want bij elke verbetering van de detectorgevoeligheid ontdekten we – ongelooflijk maar waar, steeds wéér stralingslekjes in het systeem die zich lieten gelden. Vorig jaar hebben we de setup nog weer verbeterd. Vergelijk het alsof je de straling van een kaars op de maan nog met je hand probeert te voelen, dan is dat nog 100 keer meer straling dan onze koeler nu binnenlaat.”

In de tweede helft van de ‘zeros’ vinden er cruciale detector-experimenten plaats. “Het was rond 2008. Met meer beursgeld én een nieuwe koeler bij SRON konden we inmiddels steeds betere resonatoren maken van aluminium”, schetst Baselmans.

In het laboratorium bescheen onderzoeker Stephen Yates KIDs met zwakke millimeter- en submillimeter straling. Zo zwak als het team ooit in het heelal ook hoopte te kunnen detecteren. De aangeboden straling kon hij héél precies controleren en heel geleidelijk opvoeren. De ruis in de uitkomsten vergeleek hij met precies de ruis die zou moeten ontstaan als er alléén maar straling aan het werk is, en niet iets anders: de fotonruis.

En wat zag hij? Bij het zwakst aangeboden signaal was er een ‘detectorruis’, maar vanaf maar ietsjes daarboven: Fotonruis volgens het boekje! De theorie werkte dus! De KID is echt zo gevoelig, en meet een heel zwak submillimeter fotonsignaal correct!

Hobbel: onverwachte en onverklaarde ruis in het systeem

Min of meer gelijktijdig werkten de onderzoekers ook aan een ruis in het systeem, die ze niét konden thuisbrengen en niet hadden verwacht. En dat zat ze dwars. Voorbij een bepaalde temperatuurverlaging begon het systeem zich anders te gedragen dan verwacht. De uitleeselektronica had zo’n ontzettend laag vermogen, die kon daarvoor echt niet verantwoordelijk zijn toch? Wat deden ze fout?

Pieter de Visser, ook uit de school van professor Klapwijk, besloot tot een grondige duik in zowel de gemeten data als in tot dan toe bekende modellen waarmee het team de energiehuishouding van het systeem beschrijft en gedragingen ervan simuleert. “Wat zou je volgens de theorie in deze exácte omstandigheden nou exáct verwachten?”, wilde hij nog eens nagaan. “En wat kan nou verantwoordelijk zijn voor de specifiéke afwijking daarvan in onze meting?” Opeens viel het hem in: “Is het wel een ontwerp- of meetfout?”

Met uitputtende analyse van de ogenschijnlijke ‘rare’ meetdate legden De Visser en het team bloot dat er een patroon in de afwijking zat. Wat als ze die gemeten resultaten nou eens tegen het licht houden van modellen over het gedrag van opgebroken Cooperparen, de Quasiparticle-dynamica?

Het team legde bloot dat het supergeleidende aluminium martiaal zélf Cooperparen worden gebroken door het signaal waarmee we de KIDs uitlezen. Dit zorgt ervoor dat de hoeveelheid quasideeltjes voortdurend schommelt. Deze ruis, die niet goed verklaarbaar was met bekende ruisbronnen, was geen ontwerpfout of meet fout, maar werd veroorzaakt door fundamentele kwantum interacties van het materiaal zelf met het uitleessignaal. Dit betekende een doorbraak in ons begrip, maar ook een fundamentele limiet in de gevoeligheid van een aluminium KID waar de detectorontwikkelaars rekening mee moeten houden.

Doordrongen van het nieuwe besef, begon het team in de periode die volgde meer patronen en gedragingen te zien in het KID-materiaal, die met quasiparticles te verklaren zijn. De KID was niet meer alleen een veelbelovende technologie voor astronomische metingen, maar bleek ook een goed instrument voor het onderzoek naar kwantum gedrag in het materiaal zelf: quasiparticles, hun levensduur, hun recombinatie (wanneer ze weer een nieuw Cooperpaar vormen), en hoe ze zich door het materiaal verdelen.

Baselmans: “Dat was een enorme doorbraak in de vaste stof fysica, met ook enorme invloed buiten de ontwikkeling van KIDS voor astronomie. Want dit diepe begrip van resonatoren is bijvoorbeeld ook cruciaal voor onderzoekers wereldwijd die fundamenteel onderzoek doen, en onderzoekers die stabiele qubits proberen te maken voor quantumcomputers.”

Stroomversnelling: beter ontwerpen, nieuwe materialen

Voor het KIDs-team betekende het inzicht een hele wereld aan nieuwe mogelijkheden om KIDs te verbeteren en toe te passen. Met meer kennis van verschillen in quasiparticle gedrag in verschillende materialen, konden de onderzoekers de eigenschappen van elk materiaal benutten en in het detectorontwerp naar hun hand zetten.

Droomtoepassing: wat een astronoom wil met KIDs

Intussen, in Japan, raakt een astronoom met cleanroom-ervaring gefascineerd door dit diepgravende werk in Nederland. Akira Endo had in Japan aan band 10-ontvangers voor de ALMA telescoop gewerkt, toen hij hoorde over KIDs. Hij besloot in 2009 huis en haard te verlaten om zich bij de groep in Nederland aan te sluiten.

“I wanted to experience the progress in performance of detector concepts that will shape the next scene in astronomy. It’s just amazing to see how the group goes so deep in the fundamentals of solid state physics. I learned that this is the quickest – and only – path to really groundbreaking work, that forms what people can do for decades.”

Akira’s droom is een spectrometercamera in het ver-infrarood om stokoude stoffige sterrenstelsels mee te bestuderen. Iets wat door bottlenecks in technologie lang versluierd is gebleven. “Je wilt veel pixels voor een weids blikveld, en je wilt óók spectroscopie om elementen te herkennen, niet alleen een platte foto. Heb je dit dan ook nog over een grote bandbreedte binnen één observatie, dan kan je ook goed roodverschuivingen waarnemen,” legt de astronoom uit. Aan roodverschuiving (het ‘dopplereffect’, maar dan in lichtgolven) ziet een astronoom of iets van ons af of naar ons toe beweegt in het heelal. Omdat het universum uitdijt, is dat een goede indicator voor hoe oud het licht is. De KIDs lijken deze bottlenecks op te kunnen lossen. Akira vroeg een NWO-subsidie aan om te beginnen met de ontwikkeling van de DEep Spectroscopic HIgh-redshift MApper, DESHIMA, en kreeg die ook.

Oplossing: spectrometer óp een chip

Voor spectroscopie moet je licht in kleuren uiteenrafelen (dispersie, zoals met een prisma) zodat je van elke kleur de intensiteit kan meten (spectroscopie, zoals met behulp van een tralie). SRON maakte al eens een tralie en een prisma inéén: de verzonken tralie. Een sleuteltechnologie, waardoor de kortegolf infraroodmeters van bijvoorbeeld TROPOMI en Sentinel-5 véél compacter konden worden. Het was na een borrel van een vertrekkende student, dat Jochem Baselmans de ingeving kreeg hoe je dit met micro-elektronica, óp een chip zou moeten doen. Zónder ruimte op te offeren aan een lichtpad met een tralie of prisma. “Wat als je eens een reeks filters maakt op de chip, die elk een eigen smal bandje van het signaal naar een KID sturen…? Meteen belde hij Akira op. “Why don’t we put the whole spectrometer on a chip…”

Met de inmiddels uitgebreide kennis over materialen en hoe je hun supergeleidende eigenschappen naar je hand kunt zetten, was ook duidelijk hoe. Terwijl de hoge gevoeligheid van een KID van aluminium supergoed geschikt is voor het detecteren van een uiterst zwak signaal in de ‘lastige’ stralingsgolflengtes, zoals die onder een millimeter, is een antenne van niobiumtitaniumnitride (NbTiN) supergoed als stabiele energiegeleider naar de detector toe zonder verlies. Die houdt allerlei ruis buiten de deur waar aluminium dan weer minder goed mee overweg kan.” NbTiN is het ideale materiaal om de filters te maken die Akira nodig had. Teun Klapwijk ontwikkelde het in de jaren 90 voor de ALMA en Herschel detectoren, en met de KIDs krijgt het opnieuw een grote rol in de sterrenkunde”,  zegt Baselmans.

Productief pionieren: fabricage naar steeds hoger niveau

Maar nu nog maken. Dat kwam met hele eigen uitdagingen. David Thoen: “We begaven ons op onbekend terrein, dit was nog nooit gedaan. Teun Klapwijk zei altijd: ‘Maak zoveel mogelijk fouten in zo kort mogelijke tijd’, en dat hebben we dan ook gedaan”, zegt hij.

“Een aluminium detector of een NbTiN antennedraadje van 200 nanometer (pakweg een vierhonderste mensenhaar dik) kan niet in de lucht hangen. Maar waar maak je het op, zodat signalen in het circuit geen last hebben van het substraat eronder?” Een pad dat is geprobeerd, maar ook weer verlaten, was bijvoorbeeld een micrometer kristallijn-silicium membraan. “Extreem dun, maar het was ook extreem kwetsbaar. Terugdenkend aan het brekende kristallijn silicium en de daarop liggende film krijg ik er nog huilbuien van”, vertelt Thoen. Een robuustere oplossing werd gevonden in membranen van ‘amorf’ materiaal, dus zonder de kwetsbare geordende kristalstructuur.

“Dat was een jarenlange tocht. We moesten de machines goed trimmen, en testen hoe die lagen functioneerden, bij alle kleuren en frequenties. Maar er bestonden voor ver infrarood geen testopstellingen om de kwaliteit te kunnen controleren, die hebben we in het lab moeten ontwikkelen. Akira, Kenichi en ik installeerden alle apparatuur in een leeg laboratorium van de TU Delft en ontwikkelden een methode om gefabriceerde chips efficiënt te testen.”

Een ander belangrijk aspect van de fabricage waar de nodige jaren mee gemoeid waren, is de uniformiteit van de lagen op de chip, vertel Thoen. “Je wilt op elke plek op de chip dat je lagen de dikte hebben die je met het ontwerp bedoeld hebt, en niet dat ze in het midden dikker zijn, en naar de randen van de chip toe dunner worden en daar een andere weerstand geven. Dit is vooral van belang voor grotere arrays met duizenden KIDs erop.” Een uniforme soortelijke weerstand door de hele wafer heen werd bereikt met een nieuwe Evatec machine.

Naast uniformiteit, nam ook het beheersen van de lijndiktes en patronen in de chips een vlucht. “We maken nu lijnbreedtes van 250 nanometer en kunnen bijvoorbeeld bijna perfect haakse structuren maken, terwijl de resultaten steeds voorspelbaarder zijn. De kwaliteit en reproduceerbaarheid van wat we maken is enorm. We beheersen volledig wat we aan het doen zijn.”

Terwijl de chipfabricage en instrumentontwikkeling steeds dichter bij het gedroomde astronomische meetinstrument kwamen, bemachtigde Akira Endo een plekje onder de Japanse ASTE telescoop in Chili. Eerst voor DESHIMA in 2017, en daarna voor DESHIMA 2.0 in 2023. Akira Endo herinnert zich elke stap in de ontwikkeling haarscherp, van het Eureka-telefoontje van Jochem tot en met het kippenvel bij het ‘first light’ met DESHIMA in 2017.

“Het moment dat oeroud licht van onvoorstelbaar ver vóór onze geboorte invalt op de supergeleidende detector en daarin een Cooperpaar opbreekt. In de chip, die we zelf uit blokje NiobiumTitaniumNitride en aluminium ontwikkelden. Als bloed dat door je lichaam stroomt en je organen laat werken.”

Het instrument waar de astronoom van droomde komt inmiddels ook dichterbij. Met een ERC-beurs voor TIFUUN kan de sprong gemaakt worden van proof-of-concept van de on-chip-spectroscopie van DESHIMA en DESHIMA 2.0 naar volledige 3D-beeldvorming van de (oude) kosmos in het tot dusver lastige TeraHertz deel van het ver-infrarood.

In de operationele fase met prototype DESHIMA stuitte het team op een nogal praktisch obstakel: de kijkrichting van de supergevoelige chip ten opzichte van de hemel was niet optimaal. Als zo’n gevoelig instrument behalve een koude hemel ook nog onderdelen van de instrumentcabine of de eigen (niet gekoelde) optica in het blikveld heeft, ook al is het maar een beetje, dan heeft dat flinke invloed op hoeveel van het invallende licht er benut kan worden. “Om dat aan te passen, schroefje voor schroefje, is een tijdrovende klus. En vanwege de grote hoogte waarop ASTE staat in de afgelegen Atacama-woestijn in Chili, kan je niet makkelijk zonder pauzes doorwerken”, schetst Kenichi Karatsu, die aan een oplossing werkte. In DESHIMA 2.0 kwam de warme instrumentoptica op een motorgestuurde zespoot, die via internet op afstand te bedienen was. Met een lichtwisselaar die snel schakelt tussen de koude hemel en een warme bron, kunnen de onderzoekers bovendien op afstand in de gaten houden of de koude hemel in beeld is, of – als het temperatuurverschil tussen de lichtbronnen niet klopt – er met de zespoot bijgesteld moet worden.

De sprong naar de ruimte: NASA Probe call en PRIMA

NASA schreef in 2022 een call uit voor de zogenoemde Probe-missie. Intussen is de gevoeligheid van KIDs zo ver toegenomen, dat KIDs de achtergrondstraling van het universum kunnen zien. Een zó gevoelige detector, zou de kosten voor een ruimtemissie met een grote supergekoelde spiegel kunnen rechtvaardigen. Het concept voor een ver-infraroodmissie op basis van KIDs, de PRIMA missie, is een van de twee geselecteerde missieconcepten waarvan indieners in een phase A studie mogen aantonen dat hun missie het meeste oplevert voor de sterrenkunde en bovendien realiseerbaar is binnen de gestelde tijd en het budget.

Eerdere detectoren waren niet in staat om de voordelen van zo’n relatief dure spiegel te benutten. Dit heeft geleid tot een zogenoemde ‘Terahertz gap’ in de sterrenkunde. Op deze frequentie—ver-infrarood—hebben astronomen nog nauwelijks het heelal kunnen bestuderen. “Met de combinatie van KIDs en een grote koude spiegel gaan we bijvoorbeeld voor het eerst het stof zien in de allereerste sterrenstelsels,” zegt Baselmans. “En wie weet wat nog meer. Dit is het laatste onontgonnen terrein in de sterrenkunde.”

Terwijl het werk om de lastige TeraHertz kloof te dichten de KIDs al in de buurt van een ruimtemissie bracht, werkte de groep intussen ook gestaag aan het ontwikkelen van de KIDs voor optische en nabij-infrarood golflengtes. Dit baant de weg naar het precies bepalen van de samenstelling van atmosferen van exoplaneten. De kortere golflengte en hogere energie van optisch en nabij-infrarood ten opzichte van ver-infrarood maken het wel opnieuw uitdagend. Pixels moeten kleiner worden, wat weer allerlei fabricage uitdagingen met zich meebrengt. Ook betekent het nieuwe ontwerp-uitdagingen, zoals een nieuwe zoektocht naar het beheersen van ruis en ook naar nieuwe materialen en hun quasiparticle gedrag. Maar als supergevoelige detectoren, die van elk foton de energie kunnen meten, vormen deze KIDs wel een mogelijke ticket naar toekomstige missies zoals een instrument onder de groundbased Extremely Large Telescope van ESO, en de spacebased Habitable Worlds Observatory van NASA. Het zou een wereldprimeur zijn om kleine aardachtige exoplaneten te karakteriseren.

Een heel interessante nieuwe kans is het Dynaverse-project, een Duits project om een zeer grote spectrometer te bouwen voor de Fred Young Submillimeter Telescope, gelegen op een berg naast ASTE, APEX en ALMA en 5600 meter boven zeeniveau, waarbij gebruik wordt gemaakt van de kennis en expertise van het KID-team.

De combinatie van fundamenteel onderzoek, gedreven door toepassing in de astronomie, heeft al veel uiteenlopende talenten naar het KIDs onderzoek toe getrokken. Akira Endo ziet op de TU Delft hoe de KIDs studenten inspireren. “Omdat ze het hele proces van NbTiN blokje tot meting en álles daartussen meemaken.”

Hij droomt al een nieuwe droom waarin de afstand tussen de sterrenkundige en het meetinstrument verdwijnt. “Wat als in de toekomst het ontwerpproces en de mogelijkheden van de hardware samen in open source ontwerpsoftware te vangen zouden zijn… Waarmee sterrenkundigen zelf een detectorontwerp zouden kunnen maken voor een specifieke onderzoeksvraag? Dan gaat naast hogere gevoeligheid en grotere bandbreedte ook een veel groter aantal creatieve breinen een rol spelen.”

Het avontuur van de ontwikkeling van KIDs lijkt ook na 20 jaar nog lang niet voorbij.