Om verre planeten te bestuderen ontwikkelen SRON-onderzoekers detectoren die de kleur registreren van elk invallend lichtdeeltje. Daarvoor zoeken ze een geschikt materiaal met veel ‘wanorde’ en dus een hoge elektrische weerstand om zoveel mogelijk licht te absorberen. Nu ontdekken ze dat teveel wanorde ook niet ideaal is omdat dit signaalverlies oplevert. Publicatie in Nature Communications.
Planeten rond andere sterren staan zo ver van ons weg dat een grote telescoop steeds een paar seconden moet wachten voor hij ook maar één lichtdeeltje opvangt. Ter vergelijking: op een meter afstand van een doorsnee huiskamerlamp vang je met je oog biljoenen lichtdeeltjes per seconde op. Om toch bruikbare informatie te krijgen over een zogenoemde exoplaneet is het essentieel dat de detector binnen de telescoop geen spaarzaam licht verloren laat gaan.
Supergeleidende detectoren
SRON-onderzoekers ontwikkelen Kinetic Inductance Detectors (KIDs) die elk invallend zichtbaar-lichtdeeltje registreren, inclusief hun kleur. Daarbij koelen ze de detectoren af tot nabij het absolute nulpunt zodat hij supergeleidend wordt. Elektronen vormen dan paartjes die zonder weerstand door het materiaal stromen. Als een lichtdeeltje invalt, breekt het duizenden paartjes op, met een lawine aan zogenoemde quasideeltjes tot gevolg.
Quasideeltjes
Quasideeltjes gedragen zich als losse elektronen die snel opnieuw paren vormen als ze elkaar tegenkomen. Ze verraden hun hoeveelheid door elektrische spanning te genereren in het materiaal. En dat is precies wat de SRON-onderzoekers nodig hebben om de kleur van elk lichtdeeltje te achterhalen. Hoe ‘blauwer’ een invallend lichtdeeltje, des te meer quasideeltjes. Hoe ‘roder’, des te minder.
Hoge weerstand
Een voorwaarde voor deze methode is wel dat de detector lichtdeeltjes überhaupt absorbeert. Bij die absorptie speelt supergeleiding geen rol omdat lichtdeeltjes elektronpaartjes opbreken, en dus is de intrinsieke weerstand van het materiaal hier wel relevant. Hoe meer weerstand elektronen ondervinden, des te makkelijker ze de energie van licht absorberen. Pieter de Visser (SRON) en zijn groep bestuderen daarom de bruikbaarheid in KIDs van materialen met hoge weerstand—zogenoemde wanordelijke supergeleiders.
Knikkers in een put
Ze hebben nu ontdekt dat binnen een wanordelijke supergeleider elk quasideeltje vast komt te zitten als een knikker in een put. ‘Je zou zeggen dat ze dan dus niet, of langzaam, herschikken tot paartjes,’ zegt eerste auteur Steven de Rooij (SRON). ‘Maar als ze loskomen uit hun put zien we dat ze meteen in een ander putje terechtkomen, waar al een ander quasideeltje zit, zodat ze elkaar juist sneller tegenkomen. Ze verdwijnen dus sneller, wat minder signaal geeft bij een invallend lichtdeeltje. Het blijkt dus dat we geen supergeleider met te veel wanorde moeten gebruiken. Aan de andere kant geeft te weinig wanorde juist weer te weinig absorptie van inkomend licht, dus we weten nu dat we moeten kiezen voor de middenweg.’
Publicatie
Steven A. H. de Rooij, Remko Fermin, Kevin Kouwenhoven, Tonny Coppens, Vignesh Murugesan, David J. Thoen, Jan Aarts, Jochem J. A. Baselmans & Pieter J. de Visser, ‘Recombination of localized quasiparticles in disordered superconductors’, Nature Communications volume 16, Article number: 8465 (2025)