மீக்கடத்தி ஒற்றை ஃபோட்டான் டிடெக்டர்களின் ஸ்பெக்ட்ரல் தீர்மானம் எவ்வாறு அதிகரித்துள்ளது?

புறகோள்களிலிருந்து வரும் ஒற்றை ஃபோட்டான்களைப் பிடிக்க விஞ்ஞானிகள் மீக்கடத்தி டிடெக்டர்களை (MKID-Microwave Kinetic Induction Detectors) பயன்படுத்துகின்றனர். MKID கள் தங்கள் சொந்த இயக்க தூண்டலை தொடர்ந்து கண்காணிக்கின்றன,  இது உள்வரும் ஃபோட்டானின் ஆற்றலுக்கு விகிதமாக மாறுகிறது. SRON நெதர்லாந்து இன்ஸ்டிடியூட் ஃபார் ஸ்பேஸ் ரிசர்ச் ஆராய்ச்சியாளர்கள், கசிந்த ஆற்றலின் பெரும்பகுதியை மீண்டும் பிடிப்பதன் மூலம் தங்கள் நிறமாலை தீர்மானத்தை இரட்டிப்பாக்கியுள்ளனர். இந்த ஆய்வு இயற்பியல் மறுஆய்வு பயன்பாட்டில் வெளியிடப்பட்டது.

குறைந்த வெப்பநிலையில் ஒரு மீக்கடத்தியில், பெரும்பாலான எலக்ட்ரான்கள் ஜோடிகளாக உள்ளன. அலைவுறும் மின்னோட்டம் இந்த ஜோடிகளை துரிதப்படுத்துகிறது மற்றும் குறைக்கிறது, இது இயக்க தூண்டல்(Kinetic inductance) எனப்படும் விளைவை உருவாக்குகிறது. ஒரு ஃபோட்டான் ஒரு மீக்கடத்தியை தாக்கும் போது, ​​அதன் ஆற்றல் பொருளின் வழியாக உதிர்ந்து, ஆயிரக்கணக்கான எலக்ட்ரான் ஜோடிகளை உடைக்கிறது. ஜோடிகளில் அடர்த்தி குறைவு எனில் அது அதிக இயக்கத் தூண்டல் பெற்றிருக்கும்.

MKID எனப்படும் மைக்ரோவேவ் ரெசனேட்டர்களின் வடிவத்தில் மீக்கடத்தி ஒற்றை-ஃபோட்டான் டிடெக்டர்களை உருவாக்குவதன் மூலம், ஒற்றை புலப்படும் மற்றும் அகச்சிவப்பு ஃபோட்டான்களைக் கண்டறிய விஞ்ஞானிகள் இந்தச் பண்பைப் பயன்படுத்துகின்றனர். இந்த டிடெக்டர்கள் தொடர்ந்து அவற்றின் பொருளின் இயக்கத் தூண்டலை அளவிடுகின்றன மற்றும் ஒரு ஃபோட்டான் தாக்கியிருந்தால் அதை காட்டுகின்றன. அப்படியானால், எந்த அலைநீளத்துடன், அதனால் ஒவ்வொரு பிக்சலும் ஒரு ஸ்பெக்ட்ரம் அளவிட முடியும் என்பதை ஊகிக்கின்றன. SRON நெதர்லாந்து இன்ஸ்டிடியூட் ஃபார் ஸ்பேஸ் ரிசர்ச் மற்றும் சகாக்களில் பீட்டர் டி விஸர் இப்போது ஃபோட்டானின் அலைநீளத்தை அளவிடக்கூடிய துல்லியத்தில் 2.5 மடங்கு அதிகரிப்பை அடைய MKID-களின் வடிவமைப்பை மாற்றியமைத்துள்ளார்.

தற்போது, ​​வழக்கமான ஒற்றை ஃபோட்டான் டிடெக்டர்கள் மீக்கடத்தி மின்சுற்றுகளில், அவை தடிமனான (> 300 μm) சிலிக்கான் அல்லது சபையர் அடி மூலக்கூறில் டெபாசிட் செய்யப்படுகின்றன. இந்த டிடெக்டர்களின் நிறமாலை தீர்மானம் குறைவாக உள்ளது, ஏனெனில் கண்டறியப்பட்ட ஃபோட்டானிலிருந்து ஆரம்ப ஆற்றலின் ஒரு பகுதி ஒலி அலைகள் -ஃபோனான்ஸ் மூலம் பதிவு செய்வதற்கு முன்பே அடி மூலக்கூறுக்குள் கசியலாம். இந்த ஆற்றல் இழப்பு ஒரு ஃபோட்டானைக் கண்டறியப் பயன்படுத்தப்படும் இயக்க-தூண்டல் சமிக்ஞையின் புள்ளிவிவர மாறுபாட்டை அதிகரிக்கிறது, இது அளவிடப்பட்ட நிறமாலையை விரிவுபடுத்துகிறது.

மறுவடிவமைக்கப்பட்ட சாதனத்தில், டி விசர் மற்றும் அவரது சகாக்கள் அடி மூலக்கூறை மெல்லிய (110nm) சிலிக்கான்-நைட்ரைடு சவ்வு மூலம் மாற்றுகின்றனர். இந்த சவ்வுக்குள் மீக்கடத்தி கம்பியிலிருந்து தப்பிக்கும் ஃபோனான்கள் சவ்வின் கீழ் மேற்பரப்பில் இருந்து மீண்டும் மீக்கடத்தியில் பிரதிபலிக்கின்றன என்பதை அவை காட்டுகின்றன. அங்கு அவர்கள் அதிக எலக்ட்ரான் ஜோடிகளை உடைத்து தங்கள் வேலையை முடிக்கிறார்கள். ஆராய்ச்சியாளர்கள் முறையே ஆப்டிகல் மற்றும் அகச்சிவப்பு ஃபோட்டான்களுக்கு முறையே 52 மற்றும் 19ஐ தீர்க்கும் சக்திகளை அடைந்தனர். வழக்கமான MKID களுக்கு இந்த எண்கள் 21 மற்றும் 10 ஆகும்.

அவர்கள் இப்போது இரண்டு சவால்களை எதிர்கொள்ள திட்டமிட்டுள்ளனர். முதலில் ஃபோனோனிக் படிகங்கள் என்று அழைக்கப்படும் வலுவான ஃபோனான்-ட்ராப்பிங் மூலம் இன்னும் அதிக நிறமாலைத் தீர்மானத்தை அடைய வேண்டும். இரண்டாவதாக, இந்த முறையை பல பிக்சல்கள் கொண்ட, வானியல் மற்றும் உயிரியல் பயன்பாடுகளுக்கு ஏற்ற கருவிகளை உருவாக்க, புறகோள் வளிமண்டலத்தைப் படிப்பது மற்றும் உயிரியல் மாதிரிகளின் ஃப்ளோரசன்ஸ் அளவீடுகள்  ஆகிய சாதனங்களுக்குப் பயன்படுத்த முடியும்.

References:

• Stephens, M. (2021). Trapped Phonons Improve Photon Detection. Physics, 14, s125.
• Choi, J., Choi, G., Lee, S. K., Park, K., Song, W., Lee, D. H., & Chong, Y. (2021). Design of an Antireflection Coating for High-efficiency Superconducting Nanowire Single-photon Detectors. Current Optics and Photonics, 5(4), 375-383.
• de Visser, P. J., de Rooij, S. A., Murugesan, V., Thoen, D. J., & Baselmans, J. J. (2021). Phonon-Trapping-Enhanced Energy Resolution in Superconducting Single-Photon Detectors. Physical Review Applied, 16(3), 034051.