Fall och uppgång under utvecklingen av en kallelektronbolometer
Fig. 1. Fall och uppgång under utvecklingen av en kallelektronbolometer. 1. Varmelektronisk bolometer med SIN-tunnelövergång som termometer och Andreev-speglar för RF-koppling och termisk isolering. M. Nahum och J. M. Martinis (1993). 2. Varmelektronisk bolometer med SIN-tunnelövergång som termometer och andra SIN-övergångar för RF-koppling och termisk isolering. L. Kuzmin (1998). 3. Sexbent bolometer med SIN-tunnelövergångar som termometrar, andra SIN-tunnelövergångar som elektronkylare, och Andreev-speglar för RF-koppling och termisk isolering. L. Kuzmin, I. Devyatov, & D. Golubev (1999). 4. Tvåbent kallelektronbolometer (CEB) med SIN-tunnelövergångar som termometrar, elektronkylare, RF-kapacitiv koppling och termisk isolering. L. Kuzmin (2001).​ Illustration: Leonid Kuzmin

Självkyld bolometer med absolut känslighet skapad för första gången

​Forskare vid Chalmers tekniska högskola har lyckats skapa en ny bolometer med absolut känslighet. De elektroner, som värms av absorberade fotoner, kyls effektivt till nära absoluta nollpunkten genom så kallad självkylning på chipet. Resultaten publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Communications Physics.
Supraledande bolometrar används i stor utsträckning inom ballong- och rymduppdrag för att registrera bakgrundsstrålning, det vill säga kartlägga ursprungliga förhållanden i universum. De viktigaste förbättringarna består i att sänka driftstemperaturen för att uppnå högre känslighet. 
– Den stora skillnaden mellan vår ”kallelektron”-bolometer med effektiv självkylning och andra typer är att de sistnämnda kräver kylning av hela provet. Vår teknik kan därför minska kostnaderna för framtida rymduppdrag betydligt eftersom vi kan undvika en utspädningskryostat, säger Leonid Kuzmin (t h), professor på avdelningen för kvantkomponentfysik på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, och artikelns huvudförfattare.

I sin studie visar forskarna att en grupp om 192 kallelektronbolometrar redan vid en så hög kryostattemperatur som 310 millikelvin (mK) kan detektera fotoner med en känslighet begränsad enbart av bruset bland de inkommande fotonerna. Detta på grund av effektiv självkylning av absorbatorn.
– Denna bolometer fungerar vid en temperatur hos elektronerna, som är lägre än den för fononerna i materialet. Den är därför en bra kandidat för framtida rymduppdrag utan att använda komplicerade utspädningskryostater, som normalt inte kan fungera i rymden på grund av frånvaro av tyngdkraft, säger Leonid Kuzmin.

Han beskriver forskningen som en fyrstegsprocess som ledde fram till uppfinnandet av bolometern. Försök och missöden längs vägen stimulerade forskarna till ytterligare ansträngningar. 
– Det optimala beslutet kom i fjärde steget. Istället för en "sexbent bläckfisk", som visade sig vara för komplicerad, uppfanns den tvåbenta kallelektronbolometern med endast ett par SIN-tunnelövergångar, säger Leonid Kuzmin.

Studien tyder på att sådana kallelektronbolometrar med intern självkylning är potentiella kandidater för avancerade radioastronomiprojekt som måste undvika så kallade utspädnings-”kylskåp”. 
– Detta kan lösa huvudproblemet för rymdprojektet COrE som inte prioriterades av Europeiska rymdorganisationen (ESA) på grund av behovet av att hitta en kompromiss mellan känslighet, kryoteknik och kostnad. Vi kan i praktiken utveckla kallelektronbolometrar för alla frekvensområden som uppnår absolut känslighet vid 300 mK utan utspädningskylskåp, säger Leonid Kuzmin.

Forskningen var ett samarbete mellan Chalmers tekniska högskola, Nizhny Novgorod State Technical University, Institute for Physics of Microstructures of RAS i Nizhny Novgorod, Ryssland, och Dipartimento di Fisica, Universita La Sapienza i Rom, Italien.

Artikeln har redan väckt stort intresse i forskarvärlden, och har lästs mer än 2 000 gånger.

Text: Michael Nystås
Foto på Leonid Kuzmin: Privat
Illustration: Leonid Kuzmin

Kontakt:
Leonid Kuzmin, professor, avdelningen för kvantkomponentfysik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, Göteborg, Sverige, 031 772 36 08, leonid.kuzmin@chalmers.se 



Ytterligare två artiklar om kallelektronbolometrar valdes ut som "featured article of the issue" i tidskriften Superconductor Science and Technology 2019 >>>

Publicerad: on 22 jan 2020.