Detectoren die bestaan uit een combinatie van een supergeleidende hot electron bolometer (HEB) en een lokale oscillator vormen de werkpaarden van de supra-terahertzastronomie. Deze detectoren bekijken bijvoorbeeld de geboorte van sterren en de evolutie van het heelal. Tot nu toe worden voor ruimte- en ballontelescopen vooral niobiumnitride HEBs gebruikt, die op lage temperaturen van 4 Kelvin moeten werken. Onderzoekers van SRON, TU Delft, RUG en Chalmers University hebben nu met succes een HEB getest die is gemaakt van magnesium diboride, een nieuw supergeleidend materiaal waardoor de detector niet alleen méér spectrale lijnen tegelijk ziet, maar ook werkt bij hogere temperaturen, rond 20 Kelvin. Hierdoor vallen de kosten, gewicht, volume en stroomverbruik van ruimte-instrumenten lager uit. Publicatie in Applied Physics Letters.
terahertz omzetten naar gigahertz
Hot electron bolometers (HEBs) van supergeleidend niobiumnitride zijn tot nu toe de gevoeligste heterodyne detectors voor hoge-resolutie spectroscopie op supraterahertz-frequenties (1 – 6 THz). Ze maken gebruik van een lokale oscillator om een terahertz-spectraallijn om te zetten in een gigahertz-lijn. Binnen dit frequentiegebied liggen veel moleculaire spectraallijnen die informatie geven over stervorming in sterrenstelsels.
succesvol toegepast
De heterodyne mixers zijn al met veel succes toegepast in de SOFIA-telescoop aan boord van een Boeing 747, de ballontelescoop STO-2 en de Herscheltelescoop. Ze zijn ook geselecteerd voor de ballontelescoop GUSTO (NASA, eind 2022) en de kandidaat-ruimtemissie OASIS. Supra-terahertz frequenties kunnen niet door grondtelescopen worden gemeten omdat die straling wordt geblokkeerd door de aardatmosfeer.
beperkingen
Een nadeel van HEBs is dat ze een beperkt bereik hebben in de zogenaamde intermediate frequency, wat het aantal spectraallijnen limiteert dat je tegelijk kunt waarnemen. Een andere beperking is de lage temperatuur (rond 4 Kelvin) waarop de detectoren moeten opereren om supergeleiding mogelijk te maken. Afkoelen tot 4 Kelvin met behulp van een vat met vloeibaar helium of een mechanische koeler is niet de beste oplossing voor een ruimte-instrument, dat nu eenmaal gebonden is aan strikte restricties voor massa, volume, stroomverbruik en kosten.
nieuw supergeleidend materiaal
Een team onderzoekers van SRON, TU Delft, RUG en Chalmers University heeft nu onder leiding van Jian-Rong Gao (SRON) met succes een HEB getest van magnesium diboride (MgB2), een nieuw supergeleidend materiaal. SRON-onderzoekers Yuner Gan (metingen en data-analyse) en Behnam Mirzaei (productie van de detector op de TU Delft) demonstreerden dat het nieuwe type een goede ruis-signaalverhouding op 5,3 Thz heeft, bij een operationele temperatuur van rond de 20 Kelvin.
Gan nam ook een grote bandbreedte in de intermediate frequency waar, ruim drie keer groter dan de bandbreedte van een niobium nitride HEB. Door de grotere bandbreedte kunnen onderzoekers met één meting meer spectraallijnen onderscheiden, wat waarnemingen efficiënter en nauwkeuriger maakt. De dunne magnesium diboride-film is gemaakt door Chalmers University en heeft een kritische temperatuur van 38,5 Kelvin.
Hogere temperatuur
Door de hogere operationele temperatuur is het nieuwe type detector aantrekkelijk voor de ruimtevaart omdat dan compacte, lichte en space-qualified Stirling-koelers voldoen, die weinig warmte ontwikkelen. Deze koelers kunnen leiden tot goedkopere en minder complexe ruimte-instrumenten. De nieuwe detectoren maken daarom nieuwe ruimtemissies mogelijk, zoals de middelgrote ver-infrarood missie die wordt aanbevolen in ESA’s Voyage 2050 en een nieuwe generatie terahertz-observatoria met een aantal telescopen die samen opereren als een interferometer in de ruimte.
Publicatie
Y. Gan, B. Mirzaei, J.R.G. Silva, J. Chang, S. Cherednichenko, F. van der Tak, and J.R. Gao, Low noise MgB2 hot electron bolometer mixer operated at 5.3 THz and at 20K, Appl. Phys. Lett. 119, 202601 (2021)