10:31 2022-07-04
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Păstrarea energiei în cameră
_ Păstrarea energiei în camera
Poate părea că tehnologia avansează an de an, ca prin farmec. Dar în spatele fiecărei îmbunătățiri progresive și revoluții inovatoare se află o echipă de oameni de știință și ingineri care lucrează din greu.
Profesorul UC Santa Barbara Ben Mazin dezvoltă senzori optici de precizie pentru telescoape și observatoare. Într-o lucrare publicată în Physical Review Letters, el și echipa sa au îmbunătățit rezoluția spectrului senzorului lor supraconductor, un pas major în scopul lor final: analiza compoziției exoplanetelor.
„Am fost capabili să dublăm aproximativ. puterea de rezoluție spectrală a detectorilor noștri”, a spus primul autor Nicholas Zobrist, doctorand în Laboratorul Mazin.
„Aceasta este cea mai mare creștere a rezoluției energetice pe care am văzut-o vreodată”, a adăugat Mazin. „Deschide o cale cu totul nouă către obiective științifice pe care nu le puteam atinge înainte.”
Laboratorul Mazin lucrează cu un tip de senzor numit MKID. Majoritatea detectorilor de lumină, cum ar fi senzorul CMOS dintr-o cameră de telefon, sunt semiconductori bazați pe siliciu. Acestea funcționează prin efectul fotoelectric: un foton lovește senzorul, eliminând un electron care poate fi apoi detectat ca un semnal adecvat pentru procesare de către un microprocesor.
Un MKID folosește un supraconductor, în care electricitatea poate curge fără rezistență. Pe lângă rezistența zero, aceste materiale au și alte proprietăți utile. De exemplu, semiconductorii au o energie de gol care trebuie depășită pentru a elimina electronul. Energia intervalului aferentă într-un supraconductor este de aproximativ 10.000 de ori mai mică, astfel încât poate detecta chiar și semnale slabe.
Mai mult, un singur foton poate elimina mulți electroni dintr-un supraconductor, spre deosebire de doar unul dintr-un supraconductor. semiconductor. Măsurând numărul de electroni mobili, un MKID poate determina de fapt energia (sau lungimea de undă) a luminii primite. „Și energia fotonului, sau spectrele sale, ne spune multe despre fizica a ceea ce a emis acel foton”, a spus Mazin.
Scurgeri de energie
Cercetătorii au lovit un limitează cât de sensibile ar putea face aceste MKID-uri. După multă analiză, ei au descoperit că energia se scurgea din supraconductor în placa de cristal de safir pe care este fabricat dispozitivul. Drept urmare, semnalul a părut mai slab decât era cu adevărat.
În electronica tipică, curentul este transportat de electroni mobili. Dar acestea au tendința de a interacționa cu împrejurimile lor, împrăștiind și pierzând energie în ceea ce se numește rezistență. Într-un supraconductor, doi electroni se vor împereche – unul în sus și altul în jos – și această pereche Cooper, așa cum se numește, este capabilă să se miște fără rezistență.
„Este ca un cuplu într-un club. ”, a explicat Mazin. „Aveți doi oameni care se fac pereche și apoi se pot mișca împreună prin mulțime fără nicio rezistență. În timp ce o singură persoană se oprește să vorbească cu toată lumea pe parcurs, încetinind-o.”
În un supraconductor, toți electronii sunt perechi. „Toți dansează împreună, se mișcă fără să interacționeze foarte mult cu alte cupluri, pentru că toți se uită adânc unul în ochii celuilalt.
„Un foton care lovește senzorul este ca și cum cineva intră și împrăștie un bea pe unul dintre parteneri", a continuat el. "Acest lucru desparte cuplul, determinând unul dintre parteneri să se împiedice de alte cupluri și să creeze o perturbare." Aceasta este cascada de electroni mobili pe care MKID o măsoară.
Dar uneori asta se întâmplă la marginea ringului de dans. Petrecerea jignită iese din club fără să lovească pe nimeni altcineva. Grozav pentru restul dansatorilor, dar nu și pentru oamenii de știință. Dacă acest lucru se întâmplă în MKID, atunci lumina semnalul va părea mai slab decât era în realitate.
Îngredirea lor
Mazin, Zobrist și co-autorii lor au descoperit că un strat subțire de indiu metalic - plasat între senzorul supraconductor și substrat - a redus drastic energia care se scurge din senzor. Indiul a acționat în esență ca un gard în jurul ringului de dans, ținând dansatorii împovărați în cameră și interacționând cu restul mulțimii.
Ei au ales indiul pentru că este și un supraconductor la temperaturile la care MKID-ul vor funcționa, iar supraconductorii adiacenți tind să coopereze dacă sunt subțiri. Totuși, metalul a reprezentat o provocare pentru echipa. Indiul este mai moale decât plumbul, așa că are tendința de a se aglomera. Acest lucru nu este grozav pentru a realiza stratul subțire și uniform de care aveau nevoie cercetătorii.
Dar timpul și efortul lor au dat roade. Tehnica a redus incertitudinea de măsurare a lungimii de undă de la 10% la 5%, arată studiul. De exemplu, fotonii cu o lungime de undă de 1.000 de nanometri pot fi acum măsurați cu o precizie de 50 nm cu acest sistem. „Acest lucru are implicații reale pentru știința pe care o putem face”, a spus Mazin, „pentru că putem rezolva mai bine spectrele obiectelor pe care le privim.”
Diferitele fenomene emit fotoni cu spectre specifice ( sau lungimi de undă) și diferite molecule absorb fotoni de diferite lungimi de undă. Folosind această lumină, oamenii de știință pot folosi spectroscopia pentru a identifica compoziția obiectelor atât din apropiere, cât și din întregul univers vizibil.
Mazin este interesat în special de aplicarea acestor detectoare în știința exoplanetelor. În acest moment, oamenii de știință pot face doar spectroscopie pentru un subset mic de exoplanete. Planeta trebuie să treacă între steaua sa și Pământ și trebuie să aibă o atmosferă groasă, astfel încât să treacă suficientă lumină prin ea pentru a putea lucra cercetătorii. Cu toate acestea, raportul semnal/zgomot este abisal, în special pentru planetele stâncoase, a spus Mazin.
Cu MKID-uri mai bune, oamenii de știință pot folosi lumina reflectată de suprafața unei planete, mai degrabă decât transmisă doar prin atmosfera sa îngustă. Acest lucru va fi în curând posibil cu capabilitățile următoarei generații de telescoape de 30 de metri.
Grupul Mazin experimentează, de asemenea, o abordare complet diferită a problemei pierderii de energie. Deși rezultatele din această lucrare sunt impresionante, Mazin a spus că crede că tehnica indiului ar putea fi învechită dacă echipa sa are succes în acest nou efort. Oricum, a adăugat el, oamenii de știință se apropie rapid de obiectivele lor.
Comentarii:
Adauga Comentariu