Terahertz Detector Development

  • Our Team

  • Dr. Netty Honingh (PI, PH1)
  • Ignacio Barrueto (PH1)
  • Florian Blauth (PH1)
  • Johanna Böhm (PH1)
  • Sina Fathi (PH1)
  • Dr. Karl Jacobs (PH1)
  • Dipl. Ing. (FH) Bettina Lindhorst (PH1)
  • Dr. Patrick Pütz (PH1)
  • Michael Schultz (PH1)
  • Sina Widdig (PH1)
  • Dipl. Ing. (FH) Stephan Wulff (PH1)

Überblick

„Die Detektorentwicklung umfaßt ein sehr breites Spektrum an Aufgaben, von der Physik der Supraleiter bei höchsten Frequenzen bis hin zur Mikrofabrikation in unseren Reinraumlabors.“

Der Erfolg von Astronomie und Astrophysik ist eng verwoben mit einer stetigen Verbesserung der technischen Grundlagen der genutzten Beobachtungsinstrumente. Je empfindlicher und leistungsstärker die Instrumente, desto mehr Informationen können die Astronomen aus der Strahlung extrahieren, die sie aus dem Universum empfangen. Die Entwicklung entsprechender Instrumente fällt in den Bereich der Festkörper- und Supraleiterphysik und wird daher normalerweise nicht von den Astronomen selbst betrieben. Damit die technische Entwicklung aber optimal an die wissenschaftlichen Anforderungen von Seiten der Astrophysik angepasst werden kann, ist es wichtig, dass die Entwicklung der Empfängertechnologie in engem Austausch mit den Forschern passiert, die letztendlich mit den aufgenommenen Daten arbeiten werden. Der SFB enthält daher innerhalb der instrumentellen Projektgruppe D ein Projekt, das sich vor Ort mit der Entwicklung von Detektoren beschäftigt. „Faszinierend ist daran, auch für die Studenten die bei uns in den Gruppen arbeiten, dass diese doch sehr knifflige Detektortechnologie zum Schluss so eine konkrete Anwendung hat“, beschreibt Projektleiter Karl Jacobs den wechselseitigen Mehrwert der engen Kooperation zwischen Instrumentierung und Astrophysik.

Eine besonders zentrale Anforderung an Detektoren ist eine hohe Empfindlichkeit gegenüber der beobachteten Strahlung. Um eine solche hohe Empfindlichkeit zu erreichen, machen sich moderne Detektoren die besonderen Quanten-Effekte supraleitender Materialien zugute, die auftreten, wenn Supraleiter auf sehr tiefe Temperaturen gekühlt werden. Eine Klasse von Detektoren beruht auf der Überlagerung des beobachteten Signals mit einem Referenzsignal innerhalb eines sogenannten Mischers, der aus einer Isolatorschicht zwischen zwei supraleitenden Schichten besteht („SIS Mischer“). Die energetische Struktur dieser Schichten ermöglicht es, einzelne eintreffende Photonen des astronomischen Signals anhand eines Tunnelstroms zwischen beiden Supraleitern zu detektieren. Mit diesen Detektoren kann eine Empfindlichkeit erreicht werden, die so hoch ist, dass sie nur noch durch die quantenmechanische Unschärfe begrenzt wird. Diese Technologie hat bis zu Frequenzen von 700 GHz ein ausgereiftes Stadium erreicht. Diese Grenze zu höheren Frequenzen bis zu 2 THz hinaufzusetzen ist eines der Ziele, die sich Projekt D3 gesetzt hat. Ein weiteres Ziel ist, die Anzahl der Pixel in den hergestellten Empfängern zu erhöhen, so dass große Bereiche des Himmels in kürzerer Zeit beobachtet werden können.

Für Frequenzen oberhalb von 2 THz ist die SIS-Technologie allerdings nicht mehr geeignet. In diesem Frequenzbereich werden stattdessen sogenannte Hot Electron Bolometers genutzt, die darauf beruhen, dass sich durch Photonen verursachte Temperaturänderungen einer supraleitenden Mikrobrücke als eine Änderung des abfallenden Widerstandes messen lassen. Die Bandbreite dieser Detektoren zu vergrößern und gleichzeitig ihre Empfindlichkeit zu erhöhen ist ein weiteres Projektziel, das auf die Entwicklung zukünftiger Empfänger für das SOFIA Flugzeugobservatorium ausgerichtet ist. Geplant ist hier die Entwicklung von Detektoren, die Strahlung bis zu Frequenzen von 4.7 THz aufzeichnen können, und damit die Beobachtung atomaren Sauerstoffs als einer der wichtigsten Kühlungslinien des interstellaren Mediums ermöglichen werden.

Schließlich wird in Projekt D3 an neuen supraleitenden Direkt-Detektoren geforscht, die in Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe am Caltech für große Array-Kameras eingesetzt werden sollen und schließlich im geplanten CCAT Teleskop zum Einsatz kommen werden, dessen Bau auf 5600 Metern Höhe in der Chilenischen Atacamawüste geplant wird.

Innerhalb von D3 wurden in der bisherigen Laufzeit des SFB bereits Hot Electron Bolometer bis 4.7 THz für den GREAT Empfänger an Bord von SOFIA entwickelt und eingesetzt. Für Mischer bei höheren Frequenzen, die als Multipixel Arrays im Nachfolge-Empfänger von GREAT zum Zuge kommen werden, wurden bereits die notwendigen Designs erstellt. Die Entwicklung von SIS Mischer bei höheren Frequenzen als 700 GHz wurde durch Messungen und gezielte Entwicklungen benötigter Bauelemente vorbereitet, während Mischer bei niedrigeren Frequenzen in ihrer Leistung weiter verbessert werden konnten. Wie ein Empfänger-Array mit 128 Pixeln für CCAT realisiert werden kann, wurde in einer Studie untersucht. Mit all diesen Arbeiten bewegt sich Projekt D3 stets an der Grenze des Machbaren: „Was mich sehr fasziniert ist, dass die Detektoren immer das allerletzte können müssen, weil die Astronomen mit so kleinen Signalniveaus arbeiten. Deshalb müssen wir die allerempfindlichsten Detektoren bauen, die wir können,“ fasst Projektleiterin Netty Honingh die bestehende Herausforderung zusammen.

Ausgewählte Publikationen


In 2014
Andree-Labsch, S., Jacobs, K., Stutzki, J., Schultz, M., and Honingh, C.E., Near Quantum Limited Nb-Al-AlOx-Nb Mixers on 9 μm Thick Silicon Substrates around 350 GHz. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2014, 35, 300-317

In 2013
Westig, M. P., Selig, S., Jacobs, K., et al., Improved Nb SIS devices for heterodyne mixers between 700 GHz and 1.3 THz with NbTiN transmission lines using a normal metal energy relaxation layer. J Appl Phys, 2013, 114, 124504 (co-authors: Klapwijk, T. M., Honingh, C. E.).

In 2012
Pütz, P., Honingh, C. E., Jacobs, K., et al., Terahertz hot electron bolometer waveguide mixers for GREAT. A&A, 2012, 542, L2 (co-authors: Justen, M., Schultz, M., Stutzki, J.).

Graf, U. U., Simon, R., Stutzki, J., et al., [ 12 C II ] and [ 13 C II ] 158 μm emission from NGC 2024: Large column densities of ionized carbon . A&A, 2012, 542, L16 (co-authors: Colgan, S. W. J., Guan, X., Güsten, R., Hartogh, P., Honingh, C. E., Hübers, H.-W.).

Westig, M.P., Justen, M., Jacobs, K., et al., A 490 GHz planar circuit balanced Nb-Al2O3-Nb quasiparticle mixer for radio astronomy: Application to quantitative local oscillator noise determination. J Appl Phys, 2012, 112, 093919 (co-authors: Stutzki, J., Schultz, M., Schomacker, F., Honingh, C.E).

In 2011
Westig, M. P., Jacobs, K., Stutzki, J., et al., Balanced superconductor-insulator-superconductor mixer on a 9μm silicon membrane. Supercon. Sci Tech, 2011, 24, 85012 (co-authors: Schultz, M., Justen, M., Honingh, C. E.)

Pütz, P., Jacobs, K., Justen, M., et al., NbTiN Hot Electron Bolometer Waveguide Mixers on Si3N4 Membranes at THz Frequencies. IEEE T Appl Supercon, 2011, 21, 636 (co-authors: Schomaker, F., Schultz, M., Wulff, S., Honingh, C. E.)

Non refereed
Schomacker, F., Jacobs, K., Honingh, C.E., et al., Initial Microwave Kinetic Inductor Development in Cologne, Kryo 2012, Freudenstadt-Lauterbad 30.9.2012-2.10.2012 (co-authors: Schultz, M., Stutzki, J.).

Selig S., Westig, M-P., Jacobs, K., et al., Different shape normal metal interlayers between niobium based SIS junctions and niobium titanium nitride leads and their influence on the electron temperature, Journal of Physics Conference Series, 2014, 507 Part4, 042039 (co-authors: Honingh, C.E.).