_ Detectoare de microunde și multiplexare: cercetători ajuta astronomii să examineze universul timpuriu

Cocoțat pe un platou înalt din deșertul Atacama din Chile, un observator mult așteptat începe să prindă contur: cea mai mare suită de telescoape de la sol dedicate studierii celei mai vechi lumini din univers: radiații rămase de la Big Bang.

Astronomii au studiat timp de decenii această radiație primordială, cunoscută sub numele de fundal cosmic cu microunde (CMB), care scaldă universul și oferă o imagine instantanee a ceea ce 14 miliarde Cosmosul vechi de ani arăta ca la început, la doar 380.0000 de ani de la nașterea sa violentă. Atunci universul a devenit suficient de rece pentru ca electronii și nucleele atomice să se unească în atomi, permițând luminii să curgă liber în spațiu pentru prima dată.

Grupul de telescoape din Chile, cunoscut colectiv sub numele de Observatorul Simons, oferă un avantaj cheie față de alte instrumente similare: dispune de o nouă generație de detectoare de microunde extrem de sensibile și un sistem de citire sofisticat, ambele construite de oamenii de știință de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST).

Detectoarele proiectate de NIST, cunoscute sub denumirea de bolometre cu senzor de margine de tranziție, sunt senzori de căldură constând din pelicule subțiri de material răcit la o zecime de grad peste zero absolut. Acționând ca niște termometre în miniatură, bolometrele pot discerne variații minuscule de temperatură în CMB pe mai mult de 40% din cer, a remarcat cercetătorul NIST Johannes Hubmayr.

Aceste mici puncte calde și reci din radiație, care corespund cu ușoare supradensități și subdensități în universul timpuriu, reprezintă semințele din care s-au format galaxiile. (Bolometrele înregistrează, de asemenea, modele ale diferitelor polarizări în CMB — mișcări în câmpul electric al radiației — care codifică informații despre univers la o clipă după Big Bang.)

Pentru a măsura temperatura, cercetătorii aplică un tensiune mică la bolometre care menține detectoarele răcite în poziție între două stări - supraconductor, în care curentul curge liber, fără nicio rezistență, și nesuperconductor, în care curentul întâmpină rezistență. Când senzorii absorb energie din radiația CMB de intrare, rezistența lor electrică crește, rezultând o scădere a cantității de curent care curge prin ei. Scăderea curentului oferă o măsură a temperaturii CMB într-un anumit punct de pe cer.

Procesarea simultană a semnalelor de la 67.080 de bolometre ultrareci de la Observatorul Simons reprezintă totuși o provocare. Este practic imposibil să conectați un fir de la fiecare dintre detectoare la un dispozitiv de citire a temperaturii camerei fără a încălzi bolometrele la o temperatură care depășește intervalul lor de funcționare îngust.

Cercetătorii NIST, inclusiv John Mates, au fost pionierul unei metode. care permite semnalelor de la mii de bolometre să fie combinate pe un singur fir. Tehnica, care se bazează pe dispozitive cunoscute sub numele de SQUID, transformă schimbarea curentului măsurat de fiecare bolometru într-o schimbare a frecvenței unui rezonator mic. Combinând pe un singur fir schimbările unice de frecvență induse de mii de bolometre individuale, echipa NIST a redus dramatic numărul de conexiuni la temperatura camerei și potențialul de transfer de căldură.

Pentru observator, cercetătorii NIST a fabricat peste 2.000 de rezonatoare mici și SQUID-uri pe o singură placă de siliciu. Pe o perioadă de doi ani, echipa a fabricat mai mult de 50 dintre aceste plachete, care vor fi folosite pentru a citi bolometrele cu senzori de margine de tranziție. Cercetătorii nu au furnizat niciodată până acum o cantitate atât de mare de circuite supraconductoare de înaltă calitate.

În cel mai recent studiu al lor, oamenii de știință au demonstrat că au nevoie doar să testeze electronic patru din cele 32 de cipuri găzduite pe fiecare placă pentru a verifica. funcția întregii napolitane.

Hubmayr, Mates, Dante Jones și colegii lor din NIST au trimis un raport despre munca lor către Jurnalul de fizică termică.

Această poveste este republicată prin amabilitatea NIST. Citiți povestea originală aici.

(Fluierul)