Investigadores da Universidade do Colorado, Boulder e o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um novo instrumento baseado em matriz de sensores que oferece detecção de ruído ultrabaixo de pequenas quantidades de energia para uma série de aplicações. O novo dispositivo permite a coleta de dados de muitos mais detectores do que era possível anteriormente. O avanço, relatado na edição desta semana da Cartas de Física Aplicada , deverá permitir aplicações em campos tão diversos como contabilidade de materiais nucleares, astrofísica e espectrometria de raios-X.

O instrumento consiste em 128 sensores supercondutores e combina sua saída em um único canal fornecido por um par de cabos coaxiais. No passado, o tamanho do array era limitado pela largura de banda disponível para combinar sinais em um número razoável de canais de saída. Esta nova pesquisa demonstra uma melhoria de largura de banda de cem vezes, e os investigadores planejam fazer ainda melhor em breve. Eles superaram a barreira da largura de banda usando circuitos de micro-ondas supercondutores muito frios e amplificadores de dispositivos de interferência quântica supercondutores, conhecido como SQUIDs, capaz de aumentar a intensidade de pequenos sinais.

O novo dispositivo usa SQUIDs de radiofrequência para regular ressonadores de microondas de alta qualidade. Quando esses ressonadores são acoplados a uma linha de alimentação de microondas comum, com cada ressonador sintonizado em uma frequência diferente, todos os sensores podem ser monitorados simultaneamente.

"É como se alguém estivesse tentando ouvir centenas de estações de rádio ao mesmo tempo, através de um receptor de rádio, "disse Ben Mates, da Universidade do Colorado e principal autor do trabalho. Os ressonadores SQUID aumentam o sinal em cada canal, ele explicou, permitindo a leitura simultânea de todas as estações de rádio de uma vez.

As versões do novo instrumento podem detectar sinais em uma ampla gama de frequências, desde raios gama ou raios X de comprimento de onda curto até microondas de comprimento de onda longo. A detecção de raios gama é crucial para a contabilidade de materiais nucleares, particularmente para rastrear isótopos de plutônio em combustíveis nucleares usados. Uma vez que o plutônio pode ser usado para criar armas nucleares, é importante ter rápido, métodos precisos para medir a quantidade de plutônio no combustível nuclear enviado para reprocessamento.

A tecnologia atual para rastrear plutônio usa espectrometria de massa, mas esse método é caro e demorado. Tecnologias mais rápidas e menos caras baseadas na espectroscopia de raios gama não têm a precisão para descartar pequenas discrepâncias nas quantidades de plutônio de uma grande instalação. Apenas 8 a 10 kg de material perdido são necessários para construir uma bomba nuclear. Os novos detectores de matriz são candidatos a melhorar a precisão da espectroscopia de raios gama para que o material nuclear possa ser rastreado mais facilmente.

Na outra extremidade do espectro, espera-se que o novo instrumento melhore os estudos astronômicos da radiação cósmica de fundo em microondas, que é principalmente uniforme, embora existam pequenas e importantes flutuações em sua intensidade e polarização. Os pesquisadores prevêem que versões semelhantes de seu instrumento serão usadas para pesquisar flutuações na polarização que são uma assinatura de uma época inflacionária nos primeiros momentos do universo.

Os investigadores esperam que uma gama maior lhes permita desenvolver, em colaboração com a instalação SLAC do Departamento de Energia em Stanford, um espectrômetro exclusivo capaz de coletar e medir simultaneamente com precisão muitos raios-X de alta energia de materiais em estudo no laser de elétrons livres de raios-X da instalação da Califórnia. Os raios-X penetrantes desta ferramenta poderosa são cada vez mais usados ​​para compreender as propriedades da matéria em escalas de tempo ultracurtas, mas matrizes de detectores maiores são desejáveis ​​mesmo para esta fonte de raios-X brilhante. Para este fim, o trabalho futuro se concentrará em aumentar o tamanho do array para mil sensores ou mais.