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Un sensor de borde de transición ( TES ) es un tipo de sensor de energía criogénica o detector de partículas criogénicas que aprovecha la resistencia fuertemente dependiente de la temperatura de la transición de fase superconductora .
Historia
Las primeras demostraciones del potencial de medición de la transición superconductora aparecieron en la década de 1940, 30 años después del descubrimiento de la superconductividad por Onnes . DH Andrews demostró el primer bolómetro de borde de transición , un hilo de tantalio polarizado con corriente que utilizó para medir una señal infrarroja. Posteriormente, demostró un calorímetro de borde de transición hecho de nitruro de niobio que se utilizó para medir partículas alfa . [ 1 ] Sin embargo, el detector TES no ganó popularidad durante unos 50 años, debido principalmente a la dificultad de estabilizar la temperatura dentro de la estrecha región de transición superconductora, especialmente cuando se operaba más de un píxel al mismo tiempo, y también debido a la dificultad de lectura de la señal de un sistema de tan baja impedancia . El calentamiento Joule en un TES polarizado con corriente puede conducir a un descontrol térmico que lleva al detector al estado normal (no superconductor), un fenómeno conocido como retroalimentación electrotérmica positiva . El problema del desbordamiento térmico fue resuelto en 1995 por KD Irwin mediante la polarización de voltaje del TES, el establecimiento de una retroalimentación electrotérmica negativa estable y su acoplamiento a amplificadores de corriente de dispositivos de interferencia cuántica superconductores ( SQUID ). [ 2 ] Este avance ha llevado a la adopción generalizada de detectores TES. [ 3 ]
Configuración, funcionamiento y lectura
El TES se polariza mediante una fuente de corriente I bias que pasa a través de una resistencia de carga R L (véase la figura). La tensión se elige para que el TES opere en su denominada "región de autopolarización", donde la potencia disipada en el dispositivo es constante con la tensión aplicada. Cuando el TES absorbe un fotón , esta potencia adicional se elimina mediante retroalimentación electrotérmica negativa : la resistencia del TES aumenta, provocando una caída en la corriente del TES; la potencia Joule, a su vez, disminuye, enfriando el dispositivo hasta su estado de equilibrio en la región de autopolarización. En un sistema de lectura SQUID común , el TES opera en serie con la bobina de entrada L , que está acoplada inductivamente a una matriz serie de SQUID. De este modo, un cambio en la corriente del TES se manifiesta como un cambio en el flujo de entrada al SQUID, cuya salida se amplifica y lee mediante componentes electrónicos que funcionan a temperatura ambiente.
Funcionalidad
Cualquier sensor bolométrico emplea tres componentes básicos: un absorbedor de energía incidente, un termómetro para medir esta energía y un enlace térmico a la temperatura base para disipar la energía absorbida y enfriar el detector. [ 4 ]
Amortiguador
El esquema de absorción más simple se puede aplicar a los TES que operan en los regímenes del infrarrojo cercano, óptico y ultravioleta. Estos dispositivos generalmente utilizan un TES de tungsteno como su propio absorbedor, que absorbe hasta el 20% de la radiación incidente. [ 5 ] Si se desea una detección de alta eficiencia, el TES se puede fabricar en una cavidad óptica multicapa sintonizada a la longitud de onda de operación deseada y empleando un espejo posterior y un recubrimiento antirreflectante frontal. Estas técnicas pueden reducir la transmisión y la reflexión de los detectores a valores despreciablemente bajos; se ha observado una eficiencia de detección del 95%. [ 4 ] A energías más altas, el principal obstáculo para la absorción es la transmisión, no la reflexión, por lo que es deseable un absorbedor con alto poder de frenado de fotones y baja capacidad calorífica; a menudo se emplea una película de bismuto . [ 3 ] Cualquier absorbedor debe tener una baja capacidad calorífica con respecto al TES. Una mayor capacidad calorífica en el absorbedor contribuirá al ruido y disminuirá la sensibilidad del detector (ya que una energía absorbida dada no producirá un cambio tan grande en la resistencia del TES). Para la radiación infrarroja lejana en el rango milimétrico, los esquemas de absorción suelen emplear antenas o bocinas de alimentación . [ 3 ]
Termómetro
El TES funciona como un termómetro de la siguiente manera: la energía incidente absorbida aumenta la resistencia del sensor polarizado por voltaje dentro de su región de transición, y la integral de la caída de corriente resultante es proporcional a la energía absorbida por el detector. [ 5 ] La señal de salida es proporcional al cambio de temperatura del absorbedor, por lo que para una sensibilidad máxima, un TES debe tener una baja capacidad calorífica y una transición estrecha. Las propiedades importantes del TES, incluyendo no solo la capacidad calorífica sino también la conductancia térmica, dependen fuertemente de la temperatura, por lo que la elección de la temperatura de transición T c es crítica para el diseño del dispositivo. Además, T c debe elegirse para adaptarse al sistema criogénico disponible . El tungsteno ha sido una opción popular para los TES elementales, ya que el tungsteno de película delgada muestra dos fases, una con T c ~15 mK y la otra con T c ~1–4 K, que se pueden combinar para ajustar con precisión la T c general del dispositivo . [ 6 ] Los TES de bicapa y multicapa son otro enfoque de fabricación popular, donde se combinan películas delgadas de diferentes materiales para lograr la T c deseada . [ 3 ]
Conductancia térmica
Finalmente, es necesario ajustar el acoplamiento térmico entre el TES y el baño de líquido refrigerante; se requiere una baja conductancia térmica para asegurar que la energía incidente sea percibida por el TES en lugar de perderse directamente en el baño. Sin embargo, el enlace térmico no debe ser demasiado débil, ya que es necesario enfriar el TES hasta la temperatura del baño después de que la energía haya sido absorbida. Dos enfoques para controlar el enlace térmico son el acoplamiento electrón-fonón y el mecanizado mecánico. A temperaturas criogénicas, los sistemas de electrones y fonones en un material pueden acoplarse débilmente. La conductancia térmica electrón-fonón depende fuertemente de la temperatura, por lo que la conductancia térmica puede ajustarse modificando T c . [ 3 ] [ 4 ] Otros dispositivos utilizan medios mecánicos para controlar la conductancia térmica, como construir el TES sobre una membrana submicrométrica sobre un orificio en el sustrato o en medio de una estructura dispersa tipo "telaraña". [ 7 ]
Ventajas y desventajas
Los detectores TES resultan atractivos para la comunidad científica por diversas razones. Entre sus atributos más destacados se encuentran una eficiencia de detección excepcionalmente alta, personalizable para longitudes de onda desde el rango milimétrico hasta los rayos gamma [ 3 ] [ 4 ] , y un nivel de ruido de fondo teóricamente insignificante (menos de 1 evento en 1000 s debido a las fluctuaciones térmicas intrínsecas del dispositivo [ 5 ] ). (En la práctica, si bien solo una señal de energía real genera un pulso de corriente, el algoritmo de conteo o la presencia de luz de fondo en el montaje experimental pueden registrar un nivel de ruido de fondo distinto de cero. Incluso la radiación térmica de cuerpo negro puede detectarse con un TES optimizado para su uso en el rango visible).
Los detectores de fotones individuales TES presentan algunas desventajas en comparación con sus homólogos de fotodiodos de avalancha (APD). Los APD se fabrican en módulos pequeños que cuentan fotones de forma inmediata con un tiempo muerto de unos pocos nanosegundos y emiten un pulso correspondiente a cada fotón con una fluctuación de decenas de picosegundos. En cambio, los detectores TES deben operar en un entorno criogénico, emiten una señal que debe analizarse posteriormente para identificar los fotones y tienen una fluctuación de aproximadamente 100 ns. [ 4 ] Además, un pico de un solo fotón en un detector TES dura del orden de microsegundos.
Aplicaciones
Los conjuntos TES son cada vez más comunes en experimentos de física y astronomía como SCUBA-2 , el instrumento HAWC+ del Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja , el Telescopio Cosmológico de Atacama , la Búsqueda Criogénica de Materia Oscura , el Observatorio Criogénico para Firmas Observadas en Búsquedas Subterráneas de Próxima Generación , la Búsqueda Criogénica de Eventos Raros con Termómetros Superconductores , el Experimento E y B , el Telescopio del Polo Sur , el polarímetro Spider , el instrumento X-IFU del satélite Telescopio Avanzado para Astrofísica de Alta Energía , el futuro experimento de polarización del Fondo Cósmico de Microondas LiteBIRD , el Observatorio Simons y el Experimento CMB Etapa IV.
Véase también
Referencias
- ↑ DH Andrews et al. , "Superconductores atenuados I. Para medir la radiación infrarroja". Rev. Sci. Instrum. , 13 , 281 (1942), doi : 10.1063/1.1770037 .
- ↑ KD Irwin, "Una aplicación de retroalimentación electrotérmica para la detección de partículas criogénicas de alta resolución". Appl. Phys. Lett. , 66 , 1998 (1995), doi : 10.1063/1.113674 .
- 1 2 3 4 5 6 K. D. Irwin y GC Hilton, "Sensores de borde de transición", Detección de partículas criogénicas , ed. C. Enss, Springer (2005), doi : 10.1007/10933596_3 .
- 1 2 3 4 5 A. Lita et al. , "Conteo de fotones individuales en el infrarrojo cercano con una eficiencia del 95%", Optics Express 16 , 3032 (2008), doi : 10.1364/OE.16.003032 .
- 1 2 3 A. J. Miller et al. , "Demostración de un contador de fotones infrarrojo cercano de bajo ruido con discriminación multifotónica", Appl. Phys. Lett. , 83 , 791–793. (2003), doi : 10.1063/1.1596723 .
- ↑ A. Lita et al. , "Tuning of tungsten thin film superconducting transition temperature for fabrication of photon number resolving detectors", IEEE Trans. Appl. Supercond. , 15 , 3528 (2005), doi : 10.1109/TASC.2005.849033 .
- ↑ J. Bock et al. , "Un nuevo bolómetro para astrofísica infrarroja y de ondas milimétricas", Space Science Reviews , 74 , 229–235 (1995), doi : 10.1007/BF00751274 .
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