Les détecteurs à inductance cinétique, une technologie prometteuse pour l’astronomie de précision

RETROSPECTIVE. Afin d’observer le cosmos et ses phénomènes infiniment éloignés, chaque photon supplémentaire capté peut s’avérer indispensable. La nouvelle génération de détecteurs à inductance cinétique, actuellement développer au laboratoire APC, constitue donc une technologie prometteuse pour développer des instruments d’astronomie ultra-précis. Ce résultat, publié l’année dernière, fait le point sur les avancées de ce projet.

Comment observer ce qui est à peine visible ? Cette question est au cœur de l’astronomie et de l’astrophysique instrumentale. Dans ces domaines, n’importe quelle infime source de lumière (et leurs variations) issue de phénomènes astrophysiques infiniment éloignés, peuvent nous en dire plus sur notre univers. Ainsi, chaque photon compte.

Mais non seulement il faut capturer le plus de lumière possible (en utilisant des télescopes avec de très grands miroirs), mais il est aussi important de regarder la manière dont les photons sont captés par le détecteur. Un détecteur efficace devrait idéalement être capable de collecter le plus d’informations possibles pour chaque unique photon capté. C’est justement ce dont devrait être capable les détecteurs à inductance cinétique (ou KID pour Kinetic Inductance Detector).

Cette technologie offre de nombreux avantages : elle est rapide, ne capte que très peu de bruit, est facile à construire, et peut être facilement intégrés dans les grands réseaux de télescopes. C’est pourquoi les KIDs sont développés pour de nombreuses applications, allant de l’astronomie millimétriques à celles des rayons X. C’est aussi pourquoi le laboratoire APC est également investie dans le développement des KIDS, dans le cadre d’un projet soutenu par le LabEx UnivEarthS.

Deux détecteurs sont actuellement en cours de développement : le premier, détectant des photons dont la fréquence est de l’ordre des microondes, permettrait de mesurer la polarisation du Fond Diffus Cosmologique, tandis que le second, de l’ordre des infrarouges au spectre visible, servirait à la détection des galaxies lointaines. Mais comment fonctionne un détecteur KID ?

Un détecteur KID est à un résonateur supraconducteur sur un circuit électrique. Quand le matériel supraconducteur absorbe un photon, cela provoque un décalage de la fréquence de résonance du circuit. Si on est capable de mesurer ce décalage de fréquence, on peut alors non seulement rapidement détecter un photon unique, mais également mesurer l’énergie de ce photon incident.

Qui dit supraconducteur, dit température extrêmement basse. Les équipes de l’APC et du GEPI ont choisi, pour leur nouveau KIDs de l’ordre de l’infrarouge et du visible, de construire le circuit en aluminium et en or. Ces matériaux imposent qu’ils soient refroidis à une température inférieure à 1K, afin que leurs propriétés supraconductrices émergent. Le cryostat utilisé au laboratoire APC pour les tests et les caractérisations du détecteur peut même atteindre les 50mK.

Références :

Hu, Jie, Maria Salatino, Alessandro Traini, Christine Chaumont, Faouzi Boussaha, Christophe Goupil, et Michel Piat. “Proximity-Coupled Al/Au Bilayer Kinetic Inductance Detectors”. Journal of Low Temperature Physics 199, no 1: 355‑61. https://doi.org/10.1007/s10909-019-02313-4

Le LabEx UnivEarthS a contribué à cette recherche par le financement du projet Valorisation NGKIDs (V3).

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