Les chercheurs de l'Université du Colorado, Boulder et le National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé un nouvel instrument basé sur un réseau de capteurs qui offre une détection ultra-faible du bruit de petites quantités d'énergie pour un certain nombre d'applications. Le nouveau dispositif permet la collecte de données à partir de beaucoup plus de détecteurs qu'il n'était possible auparavant. L'avance, rapporté dans le numéro de cette semaine de Lettres de physique appliquée , devrait permettre des applications dans des domaines aussi divers que la comptabilité des matières nucléaires, l'astrophysique et la spectrométrie des rayons X.

L'instrument se compose de 128 capteurs supraconducteurs et combine leur sortie en un seul canal fourni par une paire de câbles coaxiaux. Autrefois, la taille du réseau était limitée par la bande passante disponible pour combiner les signaux dans un nombre raisonnable de canaux de sortie. Cette nouvelle recherche démontre une amélioration de la bande passante au centuple, et les enquêteurs prévoient de faire encore mieux bientôt. Ils ont surmonté la barrière de la bande passante en utilisant des circuits micro-ondes supraconducteurs très froids et des amplificateurs de dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs, connu sous le nom de SQUID, capable d'augmenter l'intensité des petits signaux.

Le nouvel appareil utilise des SQUID à radiofréquence pour réguler des résonateurs micro-ondes de haute qualité. Lorsque ces résonateurs sont couplés à une ligne d'alimentation micro-ondes commune, avec chaque résonateur accordé sur une fréquence différente, tous les capteurs peuvent être surveillés simultanément.

"C'est comme si on essayait d'écouter des centaines de radios à la fois, via un récepteur radio, " a déclaré Ben Mates de l'Université du Colorado et auteur principal de l'ouvrage. Les résonateurs SQUID amplifient le signal dans chaque canal, il expliqua, permettant la lecture simultanée de toutes les stations de radio à la fois.

Les versions du nouvel instrument peuvent détecter des signaux sur une large gamme de fréquences, des rayons gamma ou X à courte longueur d'onde aux micro-ondes à longue longueur d'onde. La détection des rayons gamma est cruciale pour la comptabilité des matières nucléaires, notamment pour le suivi des isotopes du plutonium dans les combustibles nucléaires usés. Puisque le plutonium peut être utilisé pour créer des armes nucléaires, il est important d'avoir rapide, méthodes précises pour mesurer la quantité de plutonium dans le combustible nucléaire envoyé pour retraitement.

La technologie actuelle de suivi du plutonium utilise la spectrométrie de masse, mais cette méthode est coûteuse et prend du temps. Les technologies plus rapides et moins coûteuses basées sur la spectroscopie gamma n'ont pas la précision nécessaire pour exclure de petites différences dans les quantités de plutonium d'une grande installation. Seulement 8 à 10 kilogrammes de matériel manquant sont nécessaires pour construire une bombe nucléaire. Les nouveaux détecteurs matriciels sont des candidats pour améliorer la précision de la spectroscopie gamma afin que les matières nucléaires puissent être suivies plus facilement.

A l'autre extrémité du spectre, le nouvel instrument devrait améliorer les études astronomiques du rayonnement de fond cosmique micro-ondes, qui est la plupart du temps uniforme, bien que de petites et importantes fluctuations existent dans son intensité et sa polarisation. Les chercheurs prédisent que des versions similaires de leur instrument seront utilisées pour rechercher des fluctuations de polarisation qui sont une signature d'une époque inflationniste dans les premiers instants de l'univers.

Les enquêteurs espèrent qu'une plus grande gamme leur permettra de développer, en collaboration avec l'installation SLAC du ministère de l'Énergie à Stanford, un spectromètre unique capable de collecter simultanément et de mesurer avec précision de nombreux rayons X à haute énergie provenant de matériaux à l'étude au laser à électrons libres à rayons X de l'installation californienne. Les rayons X pénétrants de cet outil puissant sont de plus en plus utilisés pour comprendre les propriétés de la matière sur des échelles de temps ultracourtes, mais des réseaux de détecteurs plus grands sont souhaitables même pour cette source lumineuse de rayons X. Vers cette fin, les travaux futurs se concentreront sur l'augmentation de la taille de la matrice à un millier de capteurs ou plus.