Ikona szukaj

Jak działają detektory bolometry zamontowane w SPT?

Richard Feynman powiedział kiedyś, że głębokie zrozumienie danego zjawiska nie umniejsza lecz wręcz rozszerza zachwyt nim spowodowany. O tym jak w całości działa South Pole Telescope (SPT) mogliście już przeczytać we wcześniejszym artykule ("Teleskop na biegunie południowym"), opisujemy w nim dlaczego w ogóle budować teleskop w tak niesprzyjających warunkach, zasadę działania oraz jego przeznaczenie - obserwację zakłóceń w Mikrofalowym Promieniowaniu Tła. Ten artykuł skupia się za to na bardzo małym ale bardzo istotnym elemencie całego teleskopu - na jego "oczach" oraz na jakiej zasadzie działają.

Ponieważ South Pole Telescope obserwuje w pewnym sensie najsłabsze światło jakie do nas dociera jego czujniki niczym nie przypominają technologii z którą spotykamy się na co dzień. Cała światłoczuła matryca składa się z tysiąca małych detektorów z których każdy potrafi wykryć nawet najsłabsze, padające na niego światło a ich działanie oparte jest na zjawisku nadprzewodnictwa. Aby więc docenić kunszt technologiczny inżynierów którzy go zaprojektowali warto zrozumieć czym ono jest. W każdym medium w którym na co dzień spotykamy się z prądem elektrycznym występuje opór elektryczny. Ponieważ jest to cecha materiałów którą badamy już od prawie dwustu lat wymyśliliśmy wiele zastosowań które są obecne w praktycznie każdym urządzeniu elektrycznym jakie znacie, lecz opór elektryczny ostatecznie prowadzi również do strat energetycznych i niechcianych zjawisk. Istnieją jednak materiały które w odpowiednich warunkach tracą tą cechę, stają się "bez oporowe" - zjawisko to zostało zaobserwowane przez Heike Kamerlingha Onnesa i nazwane nadprzewodnictwem.

Niestety nawet dzisiaj (110 lat od odkrycia) nadal nie rozumiemy w pełni na czym ono polega choć nasze zrozumienie zauważalnie wzrosło. Posiadamy dokładne równania matematyczne opisujące zależności między cząsteczkami w zjawisku nadprzewodnictwa (lecz jest to tylko teoria fenomenologiczna - polegająca na dopasowaniu równania, nie opisując jego źródeł, więc o ile jest praktycznym narzędziem niewiele wnosi do zrozumienia samego zjawiska. Bardziej opisana jest Teoria mikroskopowa Bardeena, Coopera i Schrieffera która opiera się na zaobserwowanym zjawisku w którym elektrony pomimo bardzo słabych wzajemnych oddziaływań przy pomocy dodatkowych elektronów mogą łączyć się w pary. Efekt ten wraz z warunkami w których się pojawia pozwala im na bardzo swobodny lot, zanika jednak wraz ze wzrostem temperatury przewodnika a po osiągnięciu temperatury granicznej zanika praktycznie całkowicie.

Osobiście podejmę również próbę innego opisania zjawiska, zapewne mocno odbiegającą od rzeczywistości ale pozwalająca na wyobrażenie i przynajmniej częściowe zrozumienie nadprzewodnictwa. Wiele ze słów które doskonale opisują rzeczywistość na poziomie na którym egzystujemy traci sens gdy używamy ich do opisu świata w skali mikro. Jednym z takich słów i konceptów jest temperatura - mówiąc, że coś jest ciepłe lub gorące mamy na przykład na myśli to że nas parzy gdy go dotykamy. Przyglądając się jednak materii w bardzo dużym powiększeniu możemy zaobserwować że nie posiada ona cechy jaką jest temperatura a jedynie większą energię wewnętrzną - tj. cząsteczki z których jest zbudowana drgają i poruszają się między sobą szybciej niż gdy jest zimne. Gdy obniżymy temperaturę danego ciała do prawie zera absolutnego (-273,15 C) cząsteczki przestaną drgać i się poruszać, stracą całą energię. Wyobraźmy sobie zatem przewód elektryczny - wolne elektrony które mają nim przepłynąć bardzo często będą spychane przez wysokoenergetyczne cząsteczki z których zbudowany jest przewodnik, jednak przy bardzo niskiej temperaturze mogą płynąć praktycznie niczym nie powstrzymywane.

Jak więc działają detektory (bolometry) zamontowane w SPT? Wykrywają one ilość energii (ciepła) zaabsorbowaną gdy uderza w nie fala światła. South Pole Telescope wykorzystuje bolometry zaprojektowane przez uniwersytet Berkeley (California / USA), w których na pajęczyno-kształtnej konstrukcji będącej pokrytej złotem zamontowany jest mały czujnik nadprzewodnikowy. Działanie czujnika polega na ciągłym pomiarze rezystorowości układu. Ponieważ temperatura w której się znajduje (0,5 K) jest temperaturą graniczną jego nadprzewodnictwa, praktycznie każde dodatkowe ciepło (np. fala światła z odległych krańców wszechświata) zmienia w bardzo widoczny sposób opór układu co pozwala modułowi SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) zarejestrować i przetworzyć sygnał. Innymi słowy do obserwacji najdalszych zakątków wszechświata STP wykorzystuje bardzo zaawansowane termometry i kałamarnice ;D.

Źródło:

02.03.2021

Łukasz

©Planeta Mars 2021