Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 50 – vyšlo 15. prosince, ročník 1 (2003) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

50/2003

Supravodivý detektor jednotlivých fotonů

Marek Jasanský

Jonas Zmuidzinas a jeho kolegové z Laboratoře tryskových pohonů na Kalifornském technologickém institutu vyrobili detektor schopný měřit energii jednoho fotonu. Toto zařízení, které využívá hliník v supravodivém stavu, by mohlo mít velké uplatnění v astronomii.

Současné detektory

K zachycení světla vzdálených hvězd a celých galaxií astronomové obvykle používají dalekohledy opatřené CCD detektory. Bohužel, kvůli vysoké úrovni šumu, nemohou tyto detektory zaznamenat energii jednotlivého fotonu. Nově objevený "jednofotonový" detektor by mohl významně zlepšit výkon současných teleskopů a umožnit tak například lépe zkoumat kosmické mikrovlné pozadí.

CCD – Charge Coupled Device, zařízení s nábojovou vazbou, umožňuje převést paralelní analogový signál (elektrický náboj kumulovaný v potenciálových jámách) na sériový signál, daný časovou posloupností proudových pulzů úměrných kumulovanému náboji. Při serializaci paralelní informace CCD funguje jako posuvný registr, který umožňuje postupné posouvání náboje změnou potenciálového profilu řízenou hodinovým signálem. (Přesun náboje si lze přestavit podobně jako řetěz lidí předávajících si při požáru na povel různě naplněná vědra s vodou. S každým povelem se konkrétní vědro posune o krok blíže k požáru. Časový průběh proudu vody vylitého do ohně odráží prostorové rozložení objemů vody ve vědrech.) Potenciálové jámy mohou být umístěny vedle sebe pouze v jediné řadě (lineární CCD) nebo ve více řadách (plošné CCD). Nejznámějšími CCD jsou fotoelektrické snímače, kdy se rozložení náboje vytváří vnitřním fotoefektem. Mohou však sloužit i jako paměťové prvky (například jako odkládací paměť pro výše zmíněné fotoelektrické snímače). V zobrazovacích zařízeních jsou nejmenší rozměry jednoho CCD pixelu 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí velkou až 5120×5120 pixelů. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. (Údaje z roku 2008.)

Konstrukce detektoru

Základem je zhruba 2 ångströmy silná vrstva hliníku. Po ochlazení této vrstvy na teplotu blízkou jednomu kelvinu jí může téci proud složený z Cooperových elektronových párů. Foton, který na vrstvu dopadne, způsobí rozbití několika Cooperových párů. Následkem toho se sníží proud vrstvou. Tento proud může být měřen například mikrovlnou sondou.

Díky velmi nízké pracovní teplotě nekonají částice detektoru téměř žádný tepelný pohyb, který by jinak rušil energetický pulz vytvořený fotonem. Právě tepelný šum snižuje výkon CCD senzorů.

Ångström - jednotka pojmenovaná po švédském fyziku A. Angströmovi (1814-1874; studium atomových spekter), 1 Å = 10−10 m. Cooperův pár - dva elektrony s  opačným spinem, vázané v jeden pár. V každém energetickém stavu jich může být libovolný počet. Pixel (z angl. picture element) -  v záznamové technice nejmenší jednotka měřící intenzitu dopadajícího světla, v zobrazovací technice jeden obrazovkový bod.

Budoucnost

Tyto supravodivé senzory se mohou poměrně snadno vyrábět a  měly by jít i lehce spojit do matic o velikosti stovek pixelů. Co tedy brání jejich co nejrychlejšímu využití v observatořích? Především malá citlivost daná měřením změn proudu v supravodivé destičce. Pokud se tento problém podaří vědcům vyřešit, zcela jistě se se supravodivými světelnými detektory setkáme.

Obdélníčky uprostřed jsou detektory IR, světelného a UV záření. Drátky procházející celou destičkou tvoří mikrovlnou sondu (MKID).
Za senzorem je kosmické mikrovlné pozadí, jak jej vidí sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP).

Odkazy