Благодаря новому сверхпроводнику космические приборы смогут работать при более высоких температурах
Для космических телескопов в основном выбирают нитрид-ниобиевые болометры, которые работают при 4 Кельвинах. Новая разработка повышает этот предел в пять раз.
Приёмники, сочетающие сверхпроводящий болометр на горячих электронах с опорным генератором, являются «рабочими лошадками» терагерцовой астрономии. Например, их используют при наблюдении за формированием звезд и эволюцией галактик.
На текущий момент самыми чувствительными гетеродинными детекторами для спектроскопии высокого разрешения на терагерцовых частотах (от 1 до 6 ТГц) являются сверхпроводящие нитрид-ниобиевые болометры горячих электронов. В этом диапазоне частот многие атомные, ионные и молекулярные спектральные линии дают информацию о звездообразовании в галактиках.
Гетеродинные детекторы, например, находятся в воздушном телескопе SOFIA и космической обсерватории Гершеля. Терагерцовый диапазон частот недоступен для наземных телескопов, поскольку излучение блокируется земной атмосферой.
Одним из недостатков сверхпроводящих болометров на горячих электронах является ограниченная полоса пропускания промежуточной частоты. Она образуется при смешивании сигнала генератора с полезным сигналом и за одно измерение охватывает ограниченную спектральную линию. Второй недостаток — низкие рабочие температуры, которые в свою очередь связаны с низкой критической температурой сверхпроводимости. Требуемое охлаждение до 4 Кельвинов с помощью сосуда с жидким гелием или с помощью механической импульсной трубки неоптимально для космической обсерватории — очень громоздко и дорого. Однако сверхпроводящий болометр на горячих электронах на основе диборида магния решает эту проблему.
Что было сделано? Учёные впервые продемонстрировали работу детектора на частоте 5,3 ТГц и при рабочей температуре около 20 Кельвинов. Полоса пропускания промежуточной частоты увеличилась примерно в три раза в сравнении с эксплуатируемыми устройствами, а значит, возможно охватить больше спектральных линий в рамках одного измерения, что делает наблюдения более эффективными и точными.
Более высокая рабочая температура особенно привлекательна для применения в космосе благодаря доступности компактных и лёгких охладителей Стирлинга. Последние могут значительно снизить стоимость и сложность космических приборов. Поэтому новые детекторы могут расширить возможности для создания новых космических инструментов и телескопов.
Исследование опубликовано в журнале Applied Physics Letters.