שמירה על האנרגיה בחדר: פרופסור בן מאזין מדבר על מוליכים, כוכבי לכת ומועדוני ריקוד כשהוא מסביר את ההתקדמות בטכנולוגיית החיישנים

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות


זה אולי נראה כאילו הטכנולוגיה מתקדמת שנה אחר שנה, כמו בקסם. אבל מאחורי כל שיפור מצטבר ומהפכה פורצת דרך עומד צוות של מדענים ומהנדסים שעובד קשה.

UC סנטה ברברה פרופסור בן מאזין מפתח חיישנים אופטיים מדויקים עבור טלסקופים ומצפה כוכבים. במאמר שפורסם ב מכתבי סקירה פיזיתהוא וצוותו שיפרו את רזולוציית הספקטרום של החיישן המוליך העל שלהם, צעד מרכזי במטרה הסופית שלהם: ניתוח הרכב כוכבי לכת אקזו-כוכבים.

"הצלחנו להכפיל בערך את כוח הרזולוציה הספקטרלית של הגלאים שלנו", אמר הסופר הראשון ניקולס זובריסט, דוקטורנט במעבדת מאזין.

"זו העלייה הגדולה ביותר ברזולוציית האנרגיה שראינו אי פעם", הוסיף מאזין. "זה פותח נתיב חדש לגמרי למטרות מדעיות שלא יכולנו להשיג קודם לכן."

מעבדת Mazin עובדת עם סוג של חיישן הנקרא MKID. רוב גלאי האור – כמו חיישן ה-CMOS במצלמת הטלפון – הם מוליכים למחצה המבוססים על סיליקון. אלה פועלים באמצעות האפקט הפוטו-אלקטרי: פוטון פוגע בחיישן, דופק אלקטרון שאותו ניתן לזהות כאות המתאים לעיבוד על ידי מיקרו-מעבד.

MKID משתמש במוליך-על, שבו חשמל יכול לזרום ללא התנגדות. בנוסף להתנגדות אפס, לחומרים אלה יש תכונות שימושיות אחרות. למשל, למוליכים למחצה יש אנרגיית פער שצריך להתגבר עליה כדי לדפוק את האלקטרון. אנרגיית הפער הקשורה במוליך-על קטנה בערך פי 10,000, כך שהוא יכול לזהות אפילו אותות חלשים.

יתרה מכך, פוטון בודד יכול להפיל אלקטרונים רבים ממוליך-על, בניגוד לאחד בלבד במוליך למחצה. על ידי מדידת מספר האלקטרונים הניידים, MKID יכול למעשה לקבוע את האנרגיה (או אורך הגל) של האור הנכנס. "והאנרגיה של הפוטון, או הספקטרום שלו, מספרות לנו הרבה על הפיזיקה של מה שפלט את הפוטון הזה", אמר מאזין.

דליפת אנרגיה

החוקרים מצאו גבול לגבי מידת הרגישות שהם יכולים להפוך את ה-MKIDs הללו. לאחר בדיקה ממושכת, הם גילו שאנרגיה דולפת מהמוליך לתוך פרוסת גביש הספיר שעליה מורכב המכשיר. כתוצאה מכך, האות נראה חלש יותר ממה שהיה באמת.

באלקטרוניקה טיפוסית, הזרם מועבר על ידי אלקטרונים ניידים. אבל לאלה יש נטייה ליצור אינטראקציה עם הסביבה שלהם, לפזר ולאבד אנרגיה במה שמכונה התנגדות. במוליך-על, שני אלקטרונים יתחברו – ספין אחד למעלה ואחד ספין למטה – וזוג קופר זה, כפי שהוא מכונה, מסוגל לנוע ללא התנגדות.

"זה כמו זוג במועדון", הסביר מאזין. "יש לך שני אנשים שמתחברים, ואז הם יכולים לנוע יחד בקהל ללא כל התנגדות. בעוד שאדם בודד עוצר לדבר עם כולם בדרך, ומאט אותם."

במוליך-על, כל האלקטרונים מזווגים. "כולם רוקדים ביחד, מסתובבים בלי לקיים אינטראקציה עם זוגות אחרים, כי כולם מביטים עמוק זה בעיני זה.

"פוטון שפוגע בחיישן זה כמו מישהו שנכנס ושופך משקה על אחד השותפים", המשיך. "זה מפרק את בני הזוג, וגורם לאחד מבני הזוג להיתקל בזוגות אחרים וליצור הפרעה". זהו מפל האלקטרונים הניידים שה-MKID מודד.

אבל לפעמים זה קורה בקצה רחבת הריקודים. הצד הפגוע מועד אל מחוץ למועדון מבלי להיתקע באף אחד אחר. נהדר עבור שאר הרקדנים, אבל לא עבור המדענים. אם זה קורה ב-MKID, אזי אות האור ייראה חלש יותר ממה שהיה בפועל.

מגדר אותם פנימה

מאזין, זובריסט ושותפיהם גילו ששכבה דקה של אינדיום מתכת – המוצבת בין החיישן המוליך-על למצע – הפחיתה באופן דרסטי את דליפת האנרגיה החוצה מהחיישן. האינדיום בעצם פעל כמו גדר מסביב לרחבת הריקודים, שמר על הרקדנים הנדחקים בחדר וקיים אינטראקציה עם שאר הקהל.

הם בחרו באינדיום מכיוון שהוא גם מוליך-על בטמפרטורות שבהן ה-MKID יפעל, ומוליכי-על סמוכים נוטים לשתף פעולה אם הם דקים. המתכת אכן היווה אתגר לצוות. אינדיום רך יותר מעופרת, ולכן יש לו נטייה להתגבש. זה לא מצוין להכנת השכבה הדקה והאחידה לה היו זקוקים החוקרים.

אבל הזמן והמאמץ שלהם השתלמו. הטכניקה הורידה את אי הוודאות למדידת אורך הגל מ-10% ל-5%, כך מדווח המחקר. לדוגמה, כעת ניתן למדוד פוטונים עם אורך גל של 1,000 ננומטר בדיוק של 50 ננומטר עם מערכת זו. "יש לזה השלכות אמיתיות על המדע שאנחנו יכולים לעשות", אמר מאזין, "מכיוון שאנחנו יכולים לפתור טוב יותר את הספקטרום של האובייקטים שאנחנו מסתכלים עליהם."

תופעות שונות פולטות פוטונים בעלי ספקטרום (או אורכי גל) ספציפיים, ומולקולות שונות קולטות פוטונים באורכי גל שונים. באמצעות האור הזה, מדענים יכולים להשתמש בספקטרוסקופיה כדי לזהות את הרכבם של עצמים בקרבת מקום ובכל היקום הנראה לעין.

מאזין מתעניין במיוחד ביישום הגלאים הללו על מדע כוכבי לכת. נכון לעכשיו, מדענים יכולים לעשות רק ספקטרוסקופיה עבור תת-קבוצה זעירה של כוכבי לכת חיצוניים. כוכב הלכת צריך לעבור בין הכוכב שלו לכדור הארץ, וחייבת להיות לו אטמוספירה עבה כדי שיעבור דרכו מספיק אור כדי שהחוקרים יוכלו לעבוד איתו. ובכל זאת, יחס האות לרעש הוא תהומי, במיוחד עבור כוכבי לכת סלעיים, אמר מאזין.

עם MKIDs טובים יותר, מדענים יכולים להשתמש באור המוחזר מעל פני השטח של כוכב לכת, במקום מועבר דרך האטמוספירה הצרה שלו בלבד. זה יתאפשר בקרוב עם היכולות של הדור הבא של טלסקופים של 30 מטר.

גם קבוצת מאזין מתנסה בגישה שונה לחלוטין לנושא אובדן האנרגיה. למרות שהתוצאות מהמאמר הזה מרשימות, מאזין אמר שהוא מאמין שטכניקת האינדיום עלולה להיות מיושנת אם הצוות שלו יצליח במאמץ החדש הזה. כך או כך, הוסיף, המדענים מתקרבים במהירות למטרותיהם.



קישור לכתבת המקור – 2022-07-01 23:33:01

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
Email
פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות

עוד מתחומי האתר