Direkt zum Inhalt

News: Mehr Informationen sehen

Bei fast allen Beobachtungen astronomischer Objekte geht Information verloren. Unsere Augen, photographische Filme und die weit verbreiteten elektronischen CCD-Detektoren registrieren im wesentlichen den Ort, auf den ein Photon trifft. Durch Kombination verschiedener Filter läßt sich dessen Energie grob vermessen, kompliziertere Elektronik liefert auch Aussagen über die Ankunftszeit der Lichtquanten. Ein neuer Detektor könnte für ein einzelnes Photon alle drei Informationen auf einmal ermitteln - und zwar vom infraroten bis zum ultravioletten Bereich des Spektrums.
Der Physikprofessor Blas Cabrera und seine Mitarbeiter von der Stanford University stellten ihre Entwicklung in den Applied Physics Letters vom 10. August 1998 vor. Grundlage des neuen Detektors bildet der sogenannte superconducting transition edge sensor (TES), der im Rahmen des Experimentes Cryogenic Dark Matter Search konstruiert wurde.

In seiner jetzigen Form besteht der TES aus quadratischen Wolfram-Filmen mit 20 Mikrometern Kantenlänge. Bei einer Temperatur von 80 Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt wird das Material supraleitend, besitzt also keinen elektrischen Widerstand mehr. Der Übergang vom gewöhnlichen metallischen in den supraleitenden Zustand ist bei Wolfram außergewöhnlich scharf, so daß kleinste Änderungen in der Temperatur des Materials große Änderungen in den elektrischen Eigenschaften verursachen. "Diese scharfen Widerstandsübergänge machen es zu einem extrem empfindlichen Kalorimeter", sagt Cabrera. "Aber es war sehr schwierig, es in dem engen Temperaturbereich zu halten, der dafür erforderlich ist."

Die Wissenschaftler lösten das Problem mit einer Technik, die sie aus dem Bereich der Stereoverstärker entliehen: negatives Feedback. Sie bauten den Sensor in einen Schaltkreis ein, der einen schwachen elektrischen Strom erzeugt, mit welchem die Temperatur des Wolframs reguliert wird. Zunächst wird der TES bis knapp unter die Sprungtemperatur gekühlt, und der Strom erwärmt ihn bis auf den kritischen Wert. Trifft ein einzelnes Photon auf das Wolfram, erhitzt es den Sensor leicht, wodurch dessen elektrischer Widerstand steigt. Dies hat zur Folge, daß die elektrische Wärmung vermindert wird, bis die zusätzliche Energie des Photons genau ausgeglichen ist. Damit liefert der Sensor nicht nur die Information, wo das Photon eingetroffen ist, sondern auch, wann und mit welcher Energie.

Kent Irwin vom National Institute for Standards and Technology in Boulder hat den neuen TES-Detektor bereits für den Gebrauch in Röntgenspektrometern angepaßt. Die Halbleiterindustrie hat ihr Interesse angemeldet, um kleinste Verunreinigungen der Oberflächen ihrer Produkte ausfindig zu machen. Außerdem soll die nächste Generation der Röntgen-Satelliten Constellation-X mit TES-Spektrometern ausgestattet sein, um die chemischen Bestandteile von Gaswolken im Weltall zu bestimmen. Überhaupt versprechen Astronomen sich viel vom Einsatz der neuen Detektoren. Da ein einzelnes Photon ausreichend ist für eine Messung, könnten sie zum Beispiel die Rotverschiebung von Galaxien und Sternen vermessen, die mit heutigen Instrumenten nicht einmal sichtbar sind.

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

Partnerinhalte