Desarrollo de Detectores Superconductores de Inductancia Cinética

Los futuros observatorios que operan en el rango milimétrico, submilimétrico y en infrarrojo lejano requieren cámaras de gran formato y espectómetros de banda ancha, alta resolución y excepcional sensibilidad. La sensibilidad límite está determinada por los detectores y, es por ello, que el desarrollo de nuevas tecnologías es de gran importancia para alcanzar las especificaciones requeridas por la nueva instrumentación astronómica.

Los detectores superonductores de inductancia cinética (Kinetic Inductance Detectors, KIDs), a pesar de su reciente desarrollo, ya han demostrado un gran potencial en su uso en cámaras de gran formato en grandes telescopios en tierra, como los instrumentos NIKA2 y AM-KID. Además, han sido propuestos a la ESA como línea base de los detectores para futuras misiones como CORE, que estudiará la polarización del fondo cósmico de microondas con una precisión incomparable. Sin embargo, los KIDs, una tecnología en pleno desarrollo, presentan grandes retos en su desarrollo con el fin de cumplir las especificaciones finales de la futura instrumentación astronómica propuesta tanto para tierra como para espacio.

Los KIDs son resonadores superconductores LC (inductor-capacitador) acoplados a una línea de transmisión. La radiación incidente es absorbida por el superconductor, rompiendo pares de Cooper, modificando la inductancia cinética y la resistencia del resonador. Este cambio afectará a las propiedades del resonador como la frecuencia de resonancia y, por ello, el mecanismo para la detección de la radiación se basa en la monitorización de estas propiedades. La principal ventaja de los KIDs es su capacidad intrínseca de multiplexación en frecuencias, permitiendo acoplar más de mil píxeles a una sola línea.

El Centro de Astrobiología (CSIC-INTA) lidera el desarrollo español de esta tecnología, realizando todas las fases, desde su fabricación hasta la caracterización criogénica. La nanofabricación se lleva a cabo en colaboración con el IMDEA-Nanociencia, usando técnias como Sputtering, litografía láser o litografía electrónica. Para la caracterización empleamos el criostato de dilución instalado en el CAB con temperatura base de tan solo 10 mK sobre el cero absoluto. Dicho criostato nos permite caracterizar los parámetros básicos de los detectores fabricados tales como la banda de detección y la sensibilidad.

El CAB ha participado en numerosos proyectos nacionales e internacionales para el desarrollo de este tipo de instrumentación. En particular, cabe destacar el proyecto europeo FP7 SPACEKIDS centrado en el desarrollo del estado del arte en detectores tipo KIDs con el objetivo de empujar dicha tecnología a los requerimientos exigidos en futuras misiones espaciales astronómicas, como SPICA. En dicho proyecto, colaboramos con los grupos punteros a nivel europeo en el desarrollo de KIDs, como SRON o la Universidad de Cardiff. Actualmente trabajamos en estrecha colaboración con el grupo de A. Monfrdini del Institut Néel-CNRS en el desarrollo de arrays de gran formato basados en aluminio y aluminio/titanio para su desarrollo en instrumentos como NIKA2 y KISS.


Figura: esquema del funcionamiento de un KID. En la imagen se muestra un píxel que consiste en un circuito resonante LC superconductor con una frecuencia de resonancia f0 característica. Al incidir un fotón de energía mayor que la del gap superconductor, la densidad de pares de Cooper disminuye, aumentando la inductancia cinética (Lk) y disminuyendo la frecuencia de resonancia.

 

Fuente: Alicia Gómez (CAB)

 

Imágenes adicionales:

Array de mil píxeles montado en el criostato de dilución para la caracterización criogénica. Barrido en frecuencia realizado a 15 mK para una de las líneas medidas, donde cada mínimo corresponde a un detector. ©Alicia Gómez
 
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