Detectores basados en inductancia cinética para la medida de la polarización del fondo cósmico de microondas

Abstract

RESUMEN: A lo largo de los años se han realizado diversos estudios para entender el origen del Universo. En la actualidad se pretende conocer mejor el proceso inflacionario del Universo que, según el modelo cosmológico actual, ocurrió en los primeros momentos después del Big Bang, en el que se produjo una expansión extremadamente rápida del mismo. Una de las pruebas de la teoría del Big Bang, es la existencia de la radiación de fondo de microondas, considerada como un remanente de la explosión. El estudio de esta radiación es útil para los astrónomos, ya que permite entender cómo se formó el universo temprano. Dado que la intensidad de la radiación del fondo cósmico de microondas es muy baja, se necesitan receptores extremadamente sensibles que permitan caracterizar de forma precisa sus anisotropías, su grado de polarización etc. Entre los detectores más sensibles se encuentran los bolómetros, que son termómetros basados en el cambio de temperatura a partir de la energía absorbida. En la actualidad se está utilizando los detectores TES (Transition Edge Sensor), los cuales utiliza materiales superconductores para conseguir una alta sensibilidad a pequeños cambios de temperatura. Sin embargo, debido a problemas de inestabilidad, rango dinámico e integración en un array, se han desarrollado nuevos detectores, entre los que se encuentran los detectores basados en inductancia cinética, los cuales se basan en el cambio de las propiedades eléctricas del material superconductor cuando se le incide la señal a detectar. Para observar dicho cambio, se introduce el elemento que absorbe como parte de un resonador de alto factor de calidad. La alteración en las características del resonador, debido a la radiación absorbida se puede medir con técnicas de radiofrecuencia. En este trabajo fin de máster se ha realizado el diseño de dos detectores basados en inductancia cinética capaces de absorber en banda W (75-110 GHz), siendo uno de ellos capaz de distinguir las polarizaciones de la onda incidente. Se ha elegido esta tecnología debido a sus prestaciones: alta sensibilidad y la posibilidad de realizar estructuras con un gran número de detectores, formando arrays. Con el fin de analizar el comportamiento de los elementos que forman el resonador a temperatura ambiente, se fabricó y midió un detector que solo distingue una polarización de la onda incidente. También fue medido el detector a temperatura criogénica para observar sus frecuencias de resonancia. Estas medidas fueron comparadas con los resultados obtenidos en las simulaciones.

ABSTRACT: Throughout history, several studies have been done to understand the origin of the Universe. Currently,it is expected to gain knowledge on the Universe inflationary process which, according to the actual cosmological model, happened after the Big Bang. The Cosmic Microwave Background is an evidence of the Big Bang theory. The study of this radiation is useful for astronomers since it allows to understand how the origin of the early universe was. Due to the low intensity of the Cosmic Microwave Background, sensitive receivers are necessary to characterize its anisotropies, polarization etc. Among the most sensitive detectors are the bolometers, which are thermometers based on the change of the temperature with the absorbed energy. Nowadays, the Transition Edge Sensors (TES) are being used because their superconductor composition allows high sensitivity to temperature changes. However, the TES are unstable, they have low dynamic range and low multiplexable factor, so new detectors have been developed, like the Kinetic Inductance Detectors, based on the change of the electrical properties of superconductor materials caused by an incident signal. These detectors are made up of an absorbing element as part of a resonator with high quality factor. The change of the resonator characteristics due to absorbed radiation can be measured with radiofrequency techniques. In this project, two kinetic inductance detectors have been designed to detect W band signals (75-110GHz). One of them can distinguish the incident wave polarization. This technology has been chosen due to its good features: high sensibility and the chance of make large structures with the detectors, making arrays. Finally, the single polarization detector was fabricated to measure the resonator elements behavior at room temperature. Also, the detector was measured at cryogenic temperatures to observe the resonance frequencies. These measurements were compared to the simulation results.