Un sensor de borde de transición ( TES ) es un tipo de sensor de energía criogénica o detector de partículas criogénicas que explota la resistencia fuertemente dependiente de la temperatura de la transición de fase superconductora .
Las primeras demostraciones del potencial de medición de la transición superconductora aparecieron en la década de 1940, 30 años después del descubrimiento de la superconductividad por parte de Onnes . DH Andrews demostró el primer bolómetro de borde de transición , un cable de tántalo polarizado por corriente que utilizó para medir una señal infrarroja. Posteriormente demostró un calorímetro de borde de transición hecho de nitruro de niobio que se utilizó para medir partículas alfa . [1] Sin embargo, el detector TES no ganó popularidad durante unos 50 años, debido principalmente a la dificultad de estabilizar la temperatura dentro de la estrecha región de transición superconductora, especialmente cuando se operaba más de un píxel al mismo tiempo, y también debido a la dificultad de lectura de la señal de un sistema de tan baja impedancia . El calentamiento Joule en un TES polarizado por corriente puede provocar una fuga térmica que lleve al detector al estado normal (no superconductor), un fenómeno conocido como retroalimentación electrotérmica positiva . El problema de la fuga térmica fue resuelto en 1995 por KD Irwin polarizando el voltaje de los TES, estableciendo una retroalimentación electrotérmica negativa estable y acoplándolos a amplificadores de corriente de dispositivos superconductores de interferencia cuántica ( SQUID ). [2] Este avance ha llevado a la adopción generalizada de detectores TES. [3]
El TES se polariza por voltaje al hacer pasar una fuente de corriente I a través de una resistencia de carga R L (ver figura). El voltaje se elige para poner al TES en su denominada "región de polarización automática", donde la potencia disipada en el dispositivo es constante con el voltaje aplicado. Cuando el TES absorbe un fotón , esta potencia adicional se elimina por retroalimentación electrotérmica negativa : la resistencia del TES aumenta, lo que provoca una caída en la corriente del TES; la potencia Joule a su vez cae, enfriando el dispositivo de nuevo a su estado de equilibrio en la región de polarización automática. En un sistema de lectura SQUID común , el TES se opera en serie con la bobina de entrada L , que está acoplada inductivamente a una matriz en serie SQUID. Por lo tanto, un cambio en la corriente del TES se manifiesta como un cambio en el flujo de entrada al SQUID, cuya salida se amplifica y lee aún más mediante la electrónica a temperatura ambiente.
Cualquier sensor bolométrico emplea tres componentes básicos: un absorbedor de energía incidente, un termómetro para medir esta energía y un enlace térmico a la temperatura base para disipar la energía absorbida y enfriar el detector. [4]
El esquema de absorción más simple se puede aplicar a los TES que operan en los regímenes de infrarrojo cercano, óptico y ultravioleta. Estos dispositivos generalmente utilizan un TES de tungsteno como su propio absorbente, que absorbe hasta el 20% de la radiación incidente. [5] Si se desea una detección de alta eficiencia, el TES se puede fabricar en una cavidad óptica multicapa ajustada a la longitud de onda de operación deseada y empleando un espejo en la parte posterior y un revestimiento antirreflejo en la parte frontal. Tales técnicas pueden reducir la transmisión y la reflexión de los detectores a valores insignificantemente bajos; se ha observado una eficiencia de detección del 95%. [4] A energías más altas, el principal obstáculo para la absorción es la transmisión, no la reflexión, y por lo tanto es deseable un absorbente con alto poder de detención de fotones y baja capacidad térmica; a menudo se emplea una película de bismuto . [3] Cualquier absorbente debe tener baja capacidad térmica con respecto al TES. Una mayor capacidad térmica en el absorbente contribuirá al ruido y reducirá la sensibilidad del detector (ya que una energía absorbida dada no producirá un cambio tan grande en la resistencia del TES). Para la radiación infrarroja lejana en el rango milimétrico, los esquemas de absorción comúnmente emplean antenas o bocinas de alimentación . [3]
El TES funciona como un termómetro de la siguiente manera: la energía incidente absorbida aumenta la resistencia del sensor polarizado por voltaje dentro de su región de transición, y la integral de la caída resultante en la corriente es proporcional a la energía absorbida por el detector. [5] La señal de salida es proporcional al cambio de temperatura del absorbedor y, por lo tanto, para una sensibilidad máxima, un TES debe tener una capacidad térmica baja y una transición estrecha. Las propiedades importantes de los TES, que incluyen no solo la capacidad térmica sino también la conductancia térmica, dependen en gran medida de la temperatura, por lo que la elección de la temperatura de transición T c es fundamental para el diseño del dispositivo. Además, T c debe elegirse para acomodar el sistema criogénico disponible . El tungsteno ha sido una opción popular para los TES elementales, ya que el tungsteno de película delgada muestra dos fases, una con T c ~15 mK y la otra con T c ~1–4 K, que se pueden combinar para ajustar con precisión el dispositivo general T c . [6] Los TES bicapa y multicapa son otro enfoque de fabricación popular, donde se combinan películas delgadas de diferentes materiales para lograr el T c deseado . [3]
Por último, es necesario ajustar el acoplamiento térmico entre el TES y el baño de líquido refrigerante; es necesaria una conductancia térmica baja para garantizar que la energía incidente sea vista por el TES en lugar de perderse directamente en el baño. Sin embargo, el enlace térmico no debe ser demasiado débil, ya que es necesario enfriar el TES de nuevo a la temperatura del baño después de que la energía haya sido absorbida. Dos enfoques para controlar el enlace térmico son el acoplamiento electrón-fonón y el mecanizado mecánico. A temperaturas criogénicas, los sistemas de electrones y fonones en un material pueden acoplarse solo débilmente. La conductancia térmica electrón-fonón depende en gran medida de la temperatura y, por lo tanto, la conductancia térmica se puede ajustar ajustando T c . [3] [4] Otros dispositivos utilizan medios mecánicos para controlar la conductancia térmica, como construir el TES en una membrana submicrométrica sobre un orificio en el sustrato o en medio de una estructura de "tela de araña" dispersa. [7]
Los detectores TES son atractivos para la comunidad científica por diversas razones. Entre sus atributos más sorprendentes se encuentran una alta eficiencia de detección sin precedentes, personalizable para longitudes de onda desde el régimen milimétrico hasta rayos gamma [3] [4] y un nivel de conteo de fondo oscuro teóricamente insignificante (menos de 1 evento en 1000 s debido a fluctuaciones térmicas intrínsecas del dispositivo [5] ). (En la práctica, aunque solo una señal de energía real creará un pulso de corriente, un nivel de fondo distinto de cero puede ser registrado por el algoritmo de conteo o la presencia de luz de fondo en la configuración experimental. Incluso la radiación térmica del cuerpo negro puede ser vista por un TES optimizado para su uso en el régimen visible).
Sin embargo, los detectores monofotónicos TES presentan algunas desventajas en comparación con sus contrapartes de fotodiodo de avalancha (APD). Los APD se fabrican en módulos pequeños, que cuentan los fotones de fábrica con un tiempo muerto de unos pocos nanosegundos y emiten un pulso correspondiente a cada fotón con una fluctuación de decenas de picosegundos. Por el contrario, los detectores TES deben funcionar en un entorno criogénico, emiten una señal que debe analizarse más a fondo para identificar los fotones y tienen una fluctuación de aproximadamente 100 ns. [4] Además, un pico de fotón único en un detector TES dura del orden de microsegundos.
Los conjuntos TES se están volviendo cada vez más comunes en experimentos de física y astronomía como SCUBA-2 , el instrumento HAWC+ en el Observatorio Estratosférico para Astronomía Infrarroja , el Telescopio Cosmológico de Atacama , la Búsqueda Criogénica de Materia Oscura , la Búsqueda Criogénica de Eventos Raros con Termómetros Superconductores , el Experimento E y B , el Telescopio del Polo Sur , el polarímetro Spider , el instrumento X-IFU del satélite Telescopio Avanzado para Astrofísica de Altas Energías , el futuro experimento de polarización del Fondo Cósmico de Microondas LiteBIRD, el Observatorio Simons y el Experimento CMB Etapa IV.
