alt=Image of four tungsten transition-edge sensors.|miniatura|Imatge òptica de quatre sensors de vora de transició de tungstè per a la detecció de fotons individuals en l'infraroig proper. Crèdit de la imatge: NIST. Un sensor de vora de transició (TES) és un tipus de sensor d'energia criogènica o detector de partícules criogèniques que explota la resistència, que depèn en gran manera de la temperatura, de la transició de fase superconductora.

Història Les primeres demostracions del potencial de mesura de la transició superconductora van aparèixer a la dècada del 1940, 30 anys després del descobriment de la superconductivitat per part d'Onnes. D. H. Andrews va demostrar el primer bolòmetre de vora de transició, un filferro de tàntal polaritzat per corrent que va utilitzar per mesurar un senyal infraroig. Posteriorment, va demostrar un calorímetre de vora de transició fet de nitrur de niobi que es va utilitzar per mesurar partícules alfa.D. H. Andrews, R. D. Fowler and M. C. Williams, "The Effect of Alpha-particles on a Superconductor". Phys. Rev., 76, 154–155 (1949), .D. H. Andrews et al., "Attenuated superconductors I. For measuring infra-red radiation". Rev. Sci. Instrum., 13, 281 (1942), . Tanmateix, el detector TES no va guanyar popularitat durant uns 50 anys, principalment a causa de la dificultat d'estabilitzar la temperatura dins de l'estreta regió de transició superconductora, especialment quan es feia funcionar més d'un píxel alhora, i també a causa de la dificultat de lectura del senyal d'un sistema de tan baixa impedància. L'escalfament per Joule en un TES polaritzat per corrent pot provocar una fuga tèrmica que porta el detector a l'estat normal (no superconductor), un fenomen conegut com a retroalimentació electrotèrmica positiva. El problema de la fugida tèrmica va ser resolt el 1995 per KD Irwin polaritzant el TES per voltatge, establint una retroalimentació electrotèrmica negativa estable i acoblant-los a amplificadors de corrent de dispositius d'interferència quàntica superconductors (SQUID).K. D. Irwin, "An application of electrothermal feedback for high resolution cryogenic particle detection". Appl. Phys. Lett., 66, 1998 (1995), . Aquest avenç ha portat a l'adopció generalitzada de detectors TES.K. D. Irwin and G. C. Hilton, "Transition-edge sensors", Cryogenic Particle Detection, ed. C. Enss, Springer (2005), . ```

Configuració, funcionament i lectura alt=Schematic of TES-SQUID circuit|miniatura|Esquema del circuit TES-SQUID El TES està polaritzat per voltatge mitjançant la polarització d'una font de corrent I a través d'una resistència de càrrega RL (vegeu la figura). El voltatge s'escull per situar el TES a la seva anomenada "regió autopolaritzada", on la potència dissipada al dispositiu és constant amb el voltatge aplicat. Quan el TES absorbeix un fotó, aquesta potència addicional s'elimina mitjançant retroalimentació electrotèrmica negativa: la resistència del TES augmenta, provocant una caiguda del corrent del TES; la potència en Joule, al seu torn, disminueix, refredant el dispositiu fins al seu estat d'equilibri a la regió autopolaritzada. En un sistema de lectura SQUID comú, el TES funciona en sèrie amb la bobina d'entrada L, que està acoblada inductivament a una matriu en sèrie SQUID. Així, un canvi en el corrent del TES es manifesta com un canvi en el flux d'entrada al SQUID, la sortida del qual s'amplifica i es llegeix encara més mitjançant electrònica a temperatura ambient.

Funcionalitat Qualsevol sensor bolomètric utilitza tres components bàsics: un absorbidor d'energia incident, un termòmetre per mesurar aquesta energia i un enllaç tèrmic a la temperatura base per dissipar l'energia absorbida i refredar el detector.A. Lita et al., "Counting near-infrared single-photons with 95% efficiency", Optics Express 16, 3032 (2008), .

Absorbidor L'esquema d'absorció més simple es pot aplicar als TES que operen en els règims de l'infraroig proper, òptic i UV. Aquests dispositius generalment utilitzen un TES de tungstè com a propi absorbent, que absorbeix fins a un 20% de la radiació incident.A. J. Miller et al., "Demonstration of a low-noise near-infrared photon counter with multiphoton discrimination", Appl. Phys. Lett., 83, 791–793. (2003), . Si es desitja una detecció d'alta eficiència, el TES es pot fabricar en una cavitat òptica multicapa sintonitzada a la longitud d'ona de funcionament desitjada i que utilitza un mirall posterior i un recobriment antireflectant frontal. Aquestes tècniques poden disminuir la transmissió i la reflexió dels detectors a valors insignificantment baixos; s'ha observat una eficiència de detecció del 95%. A energies més altes, el principal obstacle a l'absorció és la transmissió, no la reflexió, i per tant és desitjable un absorbent amb un alt poder de frenada de fotons i baixa capacitat calorífica; sovint s'utilitza una pel·lícula de bismut.K. D. Irwin and G. C. Hilton, "Transition-edge sensors", Cryogenic Particle Detection, ed. C. Enss, Springer (2005), . Qualsevol absorbent hauria de tenir una baixa capacitat calorífica respecte al TES. Una major capacitat calorífica a l'absorbent contribuirà al soroll i disminuirà la sensibilitat del detector (ja que una energia absorbida determinada no produirà un canvi tan gran en la resistència del TES). Per a la radiació de l'infraroig llunyà en el rang mil·limètric, els esquemes d'absorció solen emprar antenes o botzina d'alimentació.

Termòmetre El TES funciona com un termòmetre de la següent manera: l'energia incident absorbida augmenta la resistència del sensor polaritzat per voltatge dins de la seva regió de transició, i la integral de la caiguda de corrent resultant és proporcional a l'energia absorbida pel detector.A. J. Miller et al., "Demonstration of a low-noise near-infrared photon counter with multiphoton discrimination", Appl. Phys. Lett., 83, 791–793. (2003), . El senyal de sortida és proporcional al canvi de temperatura de l'absorbidor i, per tant, per a una sensibilitat màxima, un TES ha de tenir una baixa capacitat calorífica i una transició estreta. Les propietats importants del TES, inclosa no només la capacitat calorífica sinó també la conductància tèrmica, depenen en gran manera de la temperatura, de manera que l'elecció de la temperatura de transició Tc és crítica per al disseny del dispositiu. A més, s'ha de triar Tc per adaptar-se al sistema criogènic disponible. El tungstè ha estat una opció popular per als TES elementals, ja que el tungstè de pel·lícula fina mostra dues fases, una amb Tc ~15 mK i l'altra amb Tc ~1–4 K, que es poden combinar per ajustar finament la Tc del dispositiu general.A. Lita et al., "Tuning of tungsten thin film superconducting transition temperature for fabrication of photon number resolving detectors", IEEE Trans. Appl. Supercond., 15, 3528 (2005), . Els TES bicapa i multicapa són un altre enfocament de fabricació popular, on es combinen pel·lícules primes de diferents materials per aconseguir la Tc desitjada.K. D. Irwin and G. C. Hilton, "Transition-edge sensors", Cryogenic Particle Detection, ed. C. Enss, Springer (2005), .

Conductància tèrmica Finalment, cal ajustar l'acoblament tèrmic entre el TES i el bany de líquid refrigerant; cal una conductància tèrmica baixa per garantir que l'energia incident sigui vista pel TES en lloc de perdre's directament al bany. Tanmateix, l'enllaç tèrmic no ha de ser massa feble, ja que cal refredar el TES fins a la temperatura del bany després que s'hagi absorbit l'energia. Hi ha dos enfocaments per controlar l'enllaç tèrmic: mitjançant l'acoblament electró-fonó i mitjançant el mecanitzat mecànic. A temperatures criogèniques, els sistemes d'electrons i fonons d'un material només poden acoblar-se feblement. La conductància tèrmica electró-fonó depèn en gran manera de la temperatura i, per tant, la conductància tèrmica es pot ajustar ajustant la Tc.K. D. Irwin and G. C. Hilton, "Transition-edge sensors", Cryogenic Particle Detection, ed. C. Enss, Springer (2005), .A. Lita et al., "Counting near-infrared single-photons with 95% efficiency", Optics Express 16, 3032 (2008), . Altres dispositius utilitzen mitjans mecànics per controlar la conductància tèrmica, com ara construir el TES en una membrana submicromètrica sobre un forat al substrat o al mig d'una estructura dispersa de "teranyina".J. Bock et al., "A novel bolometer for infrared and millimeter-wave astrophysics", Space Science Reviews, 74, 229–235 (1995), .

Avantatges i desavantatges Els detectors TES són atractius per a la comunitat científica per diverses raons. Entre els seus atributs més destacats hi ha una alta eficiència de detecció sense precedents, personalitzable a longituds d'ona des del règim mil·limètric fins als raigs gamma,K. D. Irwin and G. C. Hilton, "Transition-edge sensors", Cryogenic Particle Detection, ed. C. Enss, Springer (2005), .A. Lita et al., "Counting near-infrared single-photons with 95% efficiency", Optics Express 16, 3032 (2008), . i un nivell de recompte de fons fosc teòricament insignificant (menys d'1 esdeveniment en 1000 s a partir de fluctuacions tèrmiques intrínseques del dispositiu).A. J. Miller et al., "Demonstration of a low-noise near-infrared photon counter with multiphoton discrimination", Appl. Phys. Lett., 83, 791–793. (2003), . (A la pràctica, tot i que només un senyal d'energia real crearà un pols de corrent, l'algoritme de recompte o la presència de llum de fons a la configuració experimental poden registrar un nivell de fons diferent de zero. Fins i tot la radiació tèrmica del cos negre pot ser vista per un TES optimitzat per al seu ús en el règim visible.)

Els detectors de fotons individuals TES pateixen, tanmateix, alguns desavantatges en comparació amb els seus homòlegs de fotodíode d'allau (APD). Els APD es fabriquen en mòduls petits, que compten els fotons de fàbrica amb un temps mort d'uns pocs nanosegons i emeten un pols corresponent a cada fotó amb una fluctuació de desenes de picosegons. En canvi, els detectors TES s'han de fer funcionar en un entorn criogènic, emeten un senyal que s'ha d'analitzar més a fons per identificar els fotons i tenen una fluctuació d'aproximadament 100 ns.A. Lita et al., "Counting near-infrared single-photons with 95% efficiency", Optics Express 16, 3032 (2008), . A més, un pic de fotons individuals en un detector TES dura de l'ordre de microsegons.

Aplicacions Les matrius TES són cada cop més comunes en experiments de física i astronomia com ara SCUBA-2, l'instrument HAWC+ de l'Observatori Estratosfèric per a l'Astronomia Infraroja, el Telescopi de Cosmologia d'Atacama, la Cerca Criogènica de Matèria Fosca, l'Observatori Criogènic de Signatures Vistas en Recerques Subterranies de Nova Generació, la Cerca Criogènica d'Esdeveniments Rars amb Termòmetres Superconductors, l'Experiment E i B, el Telescopi del Pol Sud, el polarímetre Spider, l'instrument X-IFU del satèl·lit Advanced Telescope for High Energy Astrophysics, el futur experiment de polarització de Fons Còsmic de Microones LiteBIRD, l'Observatori Simons i l'Experiment CMB Stage-IV.

Referències

Categoria:Superconductivitat Categoria:Sensors