Il peut sembler que la technologie progresse année après année, comme par magie. Mais derrière chaque amélioration progressive et chaque révolution révolutionnaire se cache une équipe de scientifiques et d'ingénieurs qui travaillent dur.

Le professeur Ben Mazin de l'UC Santa Barbara développe des capteurs optiques de précision pour les télescopes et les observatoires. Dans un article publié dans Physical Review Letters , lui et son équipe ont amélioré la résolution spectrale de leur capteur supraconducteur, une étape majeure dans leur objectif ultime :analyser la composition des exoplanètes.

"Nous avons pu à peu près doubler le pouvoir de résolution spectrale de nos détecteurs", a déclaré le premier auteur Nicholas Zobrist, doctorant au Mazin Lab.

"Il s'agit de la plus grande augmentation de résolution d'énergie que nous ayons jamais vue", a ajouté Mazin. "Cela ouvre une toute nouvelle voie vers des objectifs scientifiques que nous ne pouvions pas atteindre auparavant."

Le laboratoire Mazin travaille avec un type de capteur appelé MKID. La plupart des détecteurs de lumière, comme le capteur CMOS d'une caméra de téléphone, sont des semi-conducteurs à base de silicium. Ceux-ci fonctionnent par effet photoélectrique :un photon frappe le capteur, faisant tomber un électron qui peut alors être détecté comme un signal apte à être traité par un microprocesseur.

Un MKID utilise un supraconducteur, dans lequel l'électricité peut circuler sans résistance. En plus d'une résistance nulle, ces matériaux ont d'autres propriétés utiles. Par exemple, les semi-conducteurs ont une énergie d'écart qui doit être surmontée pour assommer l'électron. L'énergie d'écart associée dans un supraconducteur est environ 10 000 fois inférieure, de sorte qu'il peut détecter même des signaux faibles.

De plus, un seul photon peut faire tomber de nombreux électrons d'un supraconducteur, par opposition à un seul dans un semi-conducteur. En mesurant le nombre d'électrons mobiles, un MKID peut en fait déterminer l'énergie (ou la longueur d'onde) de la lumière entrante. "Et l'énergie du photon, ou ses spectres, nous en dit long sur la physique de ce qui a émis ce photon", a déclaré Mazin.

Perte d'énergie

Les chercheurs avaient atteint une limite quant à la sensibilité de ces MKID. Après un examen minutieux, ils ont découvert que l'énergie s'échappait du supraconducteur dans la tranche de cristal de saphir sur laquelle l'appareil est fabriqué. En conséquence, le signal est apparu plus faible qu'il ne l'était réellement.

Dans l'électronique typique, le courant est transporté par des électrons mobiles. Mais ceux-ci ont tendance à interagir avec leur environnement, se dispersant et perdant de l'énergie dans ce qu'on appelle la résistance. Dans un supraconducteur, deux électrons vont s'apparier - un spin up et un spin down - et cette paire de Cooper, comme on l'appelle, est capable de se déplacer sans résistance.

"C'est comme un couple dans un club", a expliqué Mazin. "Vous avez deux personnes qui s'associent, puis elles peuvent se déplacer ensemble dans la foule sans aucune résistance. Tandis qu'une seule personne s'arrête pour parler à tout le monde en cours de route, ce qui les ralentit."

Dans un supraconducteur, tous les électrons sont appariés. "Ils dansent tous ensemble, se déplacent sans trop interagir avec les autres couples parce qu'ils se regardent tous profondément dans les yeux.

"Un photon frappant le capteur, c'est comme si quelqu'un arrivait et renversait un verre sur l'un des partenaires", a-t-il poursuivi. "Cela brise le couple, ce qui fait qu'un partenaire tombe sur d'autres couples et crée une perturbation." C'est la cascade d'électrons mobiles que le MKID mesure.

Mais parfois, cela se produit au bord de la piste de danse. La partie offensée trébuche hors du club sans heurter personne d'autre. Idéal pour le reste des danseurs, mais pas pour les scientifiques. Si cela se produit dans le MKID, le signal lumineux semblera plus faible qu'il ne l'était réellement.

Les clôturer

Mazin, Zobrist et leurs co-auteurs ont découvert qu'une fine couche d'indium métallique - placée entre le capteur supraconducteur et le substrat - réduisait considérablement l'énergie qui s'échappait du capteur. L'indium agissait essentiellement comme une clôture autour de la piste de danse, gardant les danseurs bousculés dans la salle et interagissant avec le reste de la foule.

They chose indium because it is also a superconductor at the temperatures at which the MKID will operate, and adjacent superconductors tend to cooperate if they are thin. The metal did present a challenge to the team, though. Indium is softer than lead, so it has a tendency to clump up. That's not great for making the thin, uniform layer the researchers needed.

But their time and effort paid off. The technique cut down the wavelength measurement uncertainty from 10% to 5%, the study reports. For example, photons with a wavelength of 1,000 nanometers can now be measured to a precision of 50 nm with this system. "This has real implications for the science we can do," Mazin said, "because we can better resolve the spectra of the objects that we're looking at."

Different phenomena emit photons with specific spectra (or wavelengths), and different molecules absorb photons of different wavelengths. Using this light, scientists can use spectroscopy to identify the composition of objects both nearby and across the entire visible universe.

Mazin is particularly interested in applying these detectors to exoplanet science. Right now, scientists can only do spectroscopy for a tiny subset of exoplanets. The planet needs to pass between its star and Earth, and it must have a thick atmosphere so that enough light passes through it for researchers to work with. Still, the signal to noise ratio is abysmal, especially for rocky planets, Mazin said.

With better MKIDs, scientists can use light reflected off the surface of a planet, rather than transmitted through its narrow atmosphere alone. This will soon be possible with the capabilities of the next generation of 30-meter telescopes.

The Mazin group is also experimenting with a completely different approach to the energy-loss issue. Although the results from this paper are impressive, Mazin said he believes the indium technique could be obsolete if his team is successful with this new endeavor. Either way, he added, the scientists are rapidly closing in on their goals. + Explorer plus loin

Spectral resolution of superconducting single photon detectors more than doubled