MKID-detectoren blijken honderdmaal minder ruis te hebben

Exoplaneten schijnen zo zwak aan de hemel dat hun licht onze telescopen bereikt in de vorm van individuele fotonen. Om die te detecteren ontwikkelen SRON-wetenschappers een detectietechniek genaamd Microwave Kinetic Inductance Detectors, kortweg MKIDs. Die worden zo koud gemaakt dat er supergeleiding ontstaat, waarbij elektronen samen Cooperparen vormen en zo de intrinsieke elektrische weerstand van het materiaal omzeilen. Inkomende fotonen breken de Cooperparen op in quasideeltjes. Op basis daarvan herleiden MKIDs welke energie het foton had.

Zoals bij elke detectietechnologie zorgt ruis voor beperkingen in de gevoeligheid. Bij MKIDs ontstaat ruis doordat thermische fluctuaties zorgen voor het continu opbreken en recombineren van quasideeltjes. Als een zwak signaal van een exoplaneet slechts weinig Cooperparen opbreekt, verdrinkt het signaal van de resulterende quasideeltjes in deze quasideeltjes-ruis.

Toen SRON-wetenschappers, in onlangs gepubliceerd onderzoek, de gevoeligheid van hun MKID met factor 2,5 verhoogden door weglekkende energie van invallende fotonen langer vast te houden met een membraan, zouden ze daar met de standaard verwachte ruis eigenlijk niets aan hebben. Maar tot hun verbazing zagen ze dat de ruis een factor 100 lager lag dan verwacht. Het team was in staat om dit voor het eerst te zien doordat het membraan niet alleen de gevoeligheid van de detector zelf had verhoogd, maar ook de gevoeligheid waarmee tijdens testen de ruis kon worden gemeten. Bovendien vereist het nieuwe ontwerp een minder krachtig uitleessignaal, wat de detector minder verstoort. Zo bleek dat ze straks in de ruimte wel degelijk iets gaan hebben aan de 2,5-maal zo hoge precisie.

Het lijkt erop dat de ruis zo laag is omdat de samenhang tussen het aantal quasideeltjes en hun levensduur wegvalt bij de lage temperatuur (-273°C) waarop MKIDs opereren. Tot nu toe zagen natuurkundigen steeds dat hoe meer quasideeltjes er zijn, des te sneller ze elkaar vinden en opnieuw Cooperparen vormen, en dus hoe korter ze leven. Nu SRON-onderzoekers, onder leiding van Pieter de Visser (SRON/TU Delft), deze ruis in MKIDs nauwkeurig in kaart hebben gebracht, blijkt deze wetmatigheid niet meer van toepassing.

‘Die samenhang valt weg, quasideeltjes leven dus korter dan het gemeten aantal quasideeltjes suggereert’, zegt eerste auteur Steven de Rooij (SRON/TU Delft). ‘We denken dat de quasideeltjes vast komen te zitten en dus niet meer bijdragen aan de ruis.’ De Visser: ‘Behalve het verzilveren van onze 2,5-maal hogere precisie, betekent de veel lagere ruis ook een fundamentele natuurkundige ontdekking. De ontkoppeling van levensduur en aantal quasideeltjes is een nieuw effect dat ook andere wetenschappers kunnen gebruiken om hun detectoren flink te verbeteren.’

Steven A. H. de Rooij, Jochem J. A. Baselmans, Vignesh Murugesan, David J. Thoen, and Pieter J. de Visser, ‘Strong Reduction of Quasiparticle Fluctuations in a Superconductor due to Decoupling of the Quasiparticle Number and Lifetime’, Physical Review B