Un sensor de borde de transición ( TES ) es un tipo de sensor de energía criogénica o detector de partículas criogénicas que aprovecha 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 tantalio polarizado en corriente que utilizó para medir una señal infrarroja. Posteriormente demostró un calorímetro de borde de transición hecho de nitruro de niobio que servía para medir partículas alfa . [1] Sin embargo, el detector TES no ganó popularidad durante unos 50 años, debido principalmente a la dificultad para 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 leer la señal de un sistema de tan baja impedancia . El calentamiento de julios en un TES polarizado por corriente puede provocar una fuga térmica que lleva 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 de interferencia cuántica superconductora ( SQUID ). [2] Este avance ha llevado a la adopción generalizada de detectores TES. [3]
El TES está polarizado por voltaje impulsando una fuente de corriente I a través de una resistencia de carga R L (ver figura). El voltaje se elige para colocar el TES en su llamada "región autopolarizada", donde la potencia disipada en el dispositivo es constante con el voltaje aplicado. Cuando el TES absorbe un fotón , esta potencia adicional se elimina mediante retroalimentación electrotérmica negativa : la resistencia del TES aumenta, provocando una caída en la corriente del TES; la potencia de Joule, a su vez, cae, enfriando el dispositivo a su estado de equilibrio en la región auto-sesgada. En un sistema de lectura SQUID común , el TES funciona 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 TES se manifiesta como un cambio en el flujo de entrada al SQUID, cuya salida es amplificada y leída aún más por la electrónica a temperatura ambiente.
Cualquier sensor bolométrico emplea tres componentes básicos: un absorbente 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 propio absorbente, que absorbe hasta el 20% de la radiación incidente. [5] Si se desea una detección de alta eficiencia, el TES puede fabricarse en una cavidad óptica multicapa sintonizada a la longitud de onda operativa deseada y empleando un espejo trasero y un revestimiento antirreflectante frontal. Estas técnicas pueden disminuir 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 frenado de fotones y baja capacidad calorífica; A menudo se emplea una película de bismuto . [3] Cualquier absorbente debe tener una capacidad calorífica baja con respecto al TES. Una mayor capacidad calorífica en el absorbente contribuirá al ruido y disminuirá la sensibilidad del detector (ya que una determinada energía absorbida no producirá un cambio tan grande en la resistencia TES). Para la radiación de infrarrojos lejanos en el rango milimétrico, los esquemas de absorción suelen emplear 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 de corriente resultante es proporcional a la energía absorbida por el detector. [5] La señal de salida es proporcional al cambio de temperatura del absorbente y, por lo tanto, para una sensibilidad máxima, un TES debe tener una capacidad calorífica baja y una transición estrecha. Las propiedades importantes de TES, que incluyen no solo la capacidad calorífica sino también la conductancia térmica , dependen en gran medida de la temperatura, por lo que la elección de la temperatura de transición Tc es fundamental para el diseño del dispositivo. Además, se debe elegir Tc para adaptarse al sistema criogénico disponible . El tungsteno ha sido una opción popular para los TES elementales, ya que la película delgada de tungsteno muestra dos fases, una con Tc ~ 15 mK y la otra con Tc ~1–4 K, que se pueden combinar para ajustar con precisión la Tc general del dispositivo . [6] Los TES bicapa y multicapa son otro enfoque de fabricación popular, donde se combinan películas delgadas de diferentes materiales para lograr la Tc deseada . [3]
Finalmente, es necesario sintonizar el acoplamiento térmico entre el TES y el baño de líquido refrigerante; Es necesaria una conductancia térmica baja para garantizar que el TES vea la energía incidente en lugar de perderla directamente en el baño. Sin embargo, el enlace térmico no debe ser demasiado débil, ya que es necesario enfriar el TES a la temperatura del baño después de que se haya absorbido la energía. Dos métodos para controlar el enlace térmico son el acoplamiento electrón-fonón y el mecanizado mecánico. A temperaturas criogénicas, los sistemas de electrones y fonones de un material sólo pueden acoplarse débilmente. La conductancia térmica electrón-fonón depende en gran medida de la temperatura y, por lo tanto, la conductancia térmica se puede ajustar ajustando Tc . [3] [4] Otros dispositivos utilizan medios mecánicos para controlar la conductancia térmica, como construir el TES en una membrana submicrométrica sobre un agujero en el sustrato o en medio de una estructura escasa de "telaraña". [7]
Los detectores TES son atractivos para la comunidad científica por diversas razones. Entre sus atributos más llamativos se encuentran una alta eficiencia de detección sin precedentes, personalizable a longitudes de onda desde el régimen milimétrico hasta rayos gamma [3] [4] y un nivel teórico de conteo de oscuridad de fondo insignificante (menos de 1 evento en 1000 s debido a fluctuaciones térmicas intrínsecas del dispositivo). [5] ). (En la práctica, aunque sólo una señal de energía real creará un pulso de corriente, el algoritmo de conteo puede registrar un nivel de fondo distinto de cero o la presencia de luz de fondo en la configuración experimental. Incluso la radiación térmica del cuerpo negro puede verse mediante un TES optimizado para uso en el régimen visible.)
No obstante, los detectores de fotón único TES adolecen de algunas desventajas en comparación con sus homólogos de fotodiodos de avalancha (APD). Los APD se fabrican en pequeños módulos, que cuentan los fotones listos para usar 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, generar una señal que debe analizarse más a fondo para identificar fotones y tener 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 son cada vez más comunes en experimentos de física y astronomía como SCUBA-2 , el instrumento HAWC+ del Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja , el Telescopio de Cosmología de Atacama , la Búsqueda Criogénica de Materia Oscura , la Búsqueda Criogénica de Eventos Raros con Termómetros Superconductores , el E y el Experimento B , el Telescopio del Polo Sur , el polarímetro Spider , el instrumento X-IFU del satélite Telescopio Avanzado para Astrofísica de Alta Energía , el futuro experimento de polarización de fondo cósmico de microondas LiteBIRD, el Observatorio Simons y el Experimento CMB Etapa IV.
