Nieuwe nanodetector veelbelovend voor onderzoek kosmische uithoeken

Een minuscule maar supergevoelige sensor helpt raadsels in de uithoeken van het heelal op te lossen. De kosmische straling met de zogenoemde terahertzfrequenties die de sensor detecteert, bevat voor sterrenkundigen belangrijke informatie over het ontstaan van sterrenstelsels en planeten. Merlijn Hajenius ontwikkelde deze sensor aan het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft in samenwerking met het SRON Netherlands Institute for Space Research. Op vrijdag 19 januari promoveert hij in Delft op dit onderwerp.

‘Het principe van de detector is eigenlijk best eenvoudig’, vertelt Hajenius. ‘Maar dat vinden wij natuurkundigen altijd het mooist.’ De detector, ‘hot electron bolometer’ genaamd, is gebaseerd op het welbekende verschijnsel dat de elektrische weerstand toeneemt zodra iets opwarmt. ‘Mijn detector is alleen wel extreem gevoelig door het gebruik van een supergeleider en werkt voor straling die tot nu toe nog niet zo goed te detecteren viel.’

De detector werkt bij terahertzfrequenties waar astronomen, maar ook atmosfeerwetenschappers, erg in geïnteresseerd zijn. De kern van de detector is een klein stukje supergeleidend niobiumnitride dat aan beide uiteinden ingeklemd wordt door schone supergeleidende contacten die op een constante temperatuur van –268 °C (vijf graden boven het absolute nulpunt) gehouden worden.

Wereldrecord

Een minuscule gouden antenne vangt de terahertzstraling op en voert deze via de contacten naar het stukje niobiumnitride dat als een extreem gevoelige thermometer werkt. ‘Als we deze thermometer uitlezen, kunnen we de terahertzstraling heel nauwkeurig meten. We hebben met deze detectoren in Delft zelfs het wereldrecord gevestigd in het frequentiegebied boven de 1,5 terahertz’, vertelt Hajenius trots.

‘Het is ongelooflijk spannend om hieraan te werken’, aldus de enthousiaste promovendus, ‘te meer omdat het prachtige fundamentele natuurkunde is, maar met grensverleggende toepassingsmogelijkheden in de ruimte.’

Dat is meteen ook de drijfveer van de inmiddels jarenlange samenwerking tussen het Delftse instituut onder leiding van Hajenius’ promotor Teun Klapwijk en SRON. De Delftse fundamenteel natuurkundige kennis op het gebied van supergeleidende stralingsdetectoren wordt gekoppeld aan de optimalisatie en toepassing van deze detectoren voor ruimteonderzoek door SRON. Een goed voorbeeld hiervan is het ruimte-instrument HIFI, dat SRON ontwikkelt voor de Europese satelliet Herschel en dat ook detectoren bevat die in Delft zijn ontwikkeld. SRON levert het instrument dit jaar af aan de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. De lancering staat gepland in 2008.

‘Sensoren zijn bruikbaar als ze zo gevoelig mogelijk zijn en het helpt enorm als we daarbij ook begrijpen hoe ze werken’, vertelt Hajenius. ‘Daar heb ik met mijn werk, denk ik, een flinke slag in kunnen maken.’

Maiden flight

De ‘maiden flight’ van Hajenius’ detector is vermoedelijk volgend jaar, niet in een satelliet om kosmische wolken te bestuderen, maar aan een ballon voor onderzoek aan de aardatmosfeer. Het instrument TELIS, waar SRON aan werkt, wordt uitgerust met de Delftse detector en zal boven Brazilië metingen gaan doen aan moleculen in de atmosfeer die van invloed zijn op de vorming van het gat in de ozonlaag.

Daarnaast werkt SRON aan de voorbereiding van toepassing van de detectoren in een nieuw door het Steward Observatory in Arizona op te zetten observatorium op de Zuidpool, HEAT (High Elevation Antarctic TeraHertz Telescope).