Pode parecer que a tecnologia avança ano após ano, como que por mágica. Mas por trás de cada melhoria incremental e revolução revolucionária está uma equipe de cientistas e engenheiros trabalhando duro.
O professor da UC Santa Barbara Ben Mazin está desenvolvendo sensores ópticos de precisão para telescópios e observatórios. Em um artigo publicado em Physical Review Letters , ele e sua equipe melhoraram a resolução dos espectros de seu sensor supercondutor, um passo importante em seu objetivo final:analisar a composição de exoplanetas.

“Conseguimos dobrar aproximadamente o poder de resolução espectral de nossos detectores”, disse o primeiro autor Nicholas Zobrist, estudante de doutorado no Mazin Lab.

"Este é o maior aumento de resolução de energia que já vimos", acrescentou Mazin. “Isso abre um caminho totalmente novo para objetivos científicos que não conseguíamos alcançar antes”.

O laboratório Mazin trabalha com um tipo de sensor chamado MKID. A maioria dos detectores de luz – como o sensor CMOS em uma câmera de telefone – são semicondutores baseados em silício. Estes operam através do efeito fotoelétrico:um fóton atinge o sensor, derrubando um elétron que pode então ser detectado como um sinal adequado para processamento por um microprocessador.

Um MKID usa um supercondutor, no qual a eletricidade pode fluir sem resistência. Além da resistência zero, esses materiais têm outras propriedades úteis. Por exemplo, os semicondutores têm uma energia de gap que precisa ser superada para eliminar o elétron. A energia de gap relacionada em um supercondutor é cerca de 10.000 vezes menor, então ele pode detectar até mesmo sinais fracos.

Além disso, um único fóton pode arrancar muitos elétrons de um supercondutor, ao contrário de apenas um em um semicondutor. Ao medir o número de elétrons móveis, um MKID pode realmente determinar a energia (ou comprimento de onda) da luz recebida. "E a energia do fóton, ou seus espectros, nos diz muito sobre a física do que emitiu esse fóton", disse Mazin.

Vazamento de energia

Os pesquisadores atingiram um limite de quão sensíveis eles poderiam tornar esses MKIDs. Depois de muito escrutínio, eles descobriram que a energia estava vazando do supercondutor para a bolacha de cristal de safira na qual o dispositivo é feito. Como resultado, o sinal parecia mais fraco do que realmente era.

Na eletrônica típica, a corrente é transportada por elétrons móveis. Mas estes tendem a interagir com o ambiente, espalhando e perdendo energia no que é conhecido como resistência. Em um supercondutor, dois elétrons se emparelham – um gira para cima e outro para baixo – e esse par de Cooper, como é chamado, é capaz de se mover sem resistência.

"É como um casal em um clube", explicou Mazin. "Você tem duas pessoas que formam pares, e então elas podem se mover juntas pela multidão sem qualquer resistência. Enquanto uma única pessoa para para conversar com todos ao longo do caminho, diminuindo a velocidade."

Em um supercondutor, todos os elétrons estão emparelhados. "Eles estão todos dançando juntos, movendo-se sem interagir muito com outros casais porque estão todos olhando profundamente nos olhos um do outro.

"Um fóton atingindo o sensor é como alguém entrando e derramando uma bebida em um dos parceiros", continuou ele. “Isso separa o casal, fazendo com que um dos parceiros tropece em outros casais e crie uma perturbação”. Esta é a cascata de elétrons móveis que o MKID mede.

Mas às vezes isso acontece na beira da pista de dança. A parte ofendida tropeça para fora do clube sem esbarrar em mais ninguém. Ótimo para o resto dos dançarinos, mas não para os cientistas. Se isso acontecer no MKID, o sinal de luz parecerá mais fraco do que realmente era.

Cercando-os

Mazin, Zobrist e seus coautores descobriram que uma fina camada de metal índio – colocada entre o sensor supercondutor e o substrato – reduzia drasticamente o vazamento de energia do sensor. The indium essentially acted like a fence around the dancefloor, keeping the jostled dancers in the room and interacting with the rest of the crowd.

They chose indium because it is also a superconductor at the temperatures at which the MKID will operate, and adjacent superconductors tend to cooperate if they are thin. The metal did present a challenge to the team, though. Indium is softer than lead, so it has a tendency to clump up. That's not great for making the thin, uniform layer the researchers needed.

But their time and effort paid off. The technique cut down the wavelength measurement uncertainty from 10% to 5%, the study reports. For example, photons with a wavelength of 1,000 nanometers can now be measured to a precision of 50 nm with this system. "This has real implications for the science we can do," Mazin said, "because we can better resolve the spectra of the objects that we're looking at."

Different phenomena emit photons with specific spectra (or wavelengths), and different molecules absorb photons of different wavelengths. Using this light, scientists can use spectroscopy to identify the composition of objects both nearby and across the entire visible universe.

Mazin is particularly interested in applying these detectors to exoplanet science. Right now, scientists can only do spectroscopy for a tiny subset of exoplanets. The planet needs to pass between its star and Earth, and it must have a thick atmosphere so that enough light passes through it for researchers to work with. Still, the signal to noise ratio is abysmal, especially for rocky planets, Mazin said.

With better MKIDs, scientists can use light reflected off the surface of a planet, rather than transmitted through its narrow atmosphere alone. This will soon be possible with the capabilities of the next generation of 30-meter telescopes.

The Mazin group is also experimenting with a completely different approach to the energy-loss issue. Although the results from this paper are impressive, Mazin said he believes the indium technique could be obsolete if his team is successful with this new endeavor. Either way, he added, the scientists are rapidly closing in on their goals. + Explorar mais

Spectral resolution of superconducting single photon detectors more than doubled