Supergevoelige sensor

Squids zijn supergeleidende sensoren die minuscule magneetvelden kunnen detecteren. Een Twentse promovendus ontwierp een type dat zo gevoelig is dat hij zwaartekrachtsgolven aankan.

Aan de Universiteit Twente zijn ze er al jaren in gespecialiseerd: het ontwerpen en maken van SQUIDs. Het SQUID (superconducting quantum interference device) is de gevoeligste detector voor magnetische velden waarover de fysica beschikt. Hij bestaat uit een supergeleidende (weerstandsloze) ring waarin op twee plaatsen een barrière is aangebracht: de zogeheten Josephson-juncties. Dankzij quantumeffecten is een elektrische stroom niettemin in staat door die koppelingen heen te `tunnelen', waarbij oscillerende stromen elkaar kunnen versterken of uitdoven, vergelijkbaar met interferentie van geluids- of lichtgolven. Deze interferentie is zeer gevoelig voor de magnetische veldsterkte (flux) in de ring en die eigenschap maakt een squid tot zo'n gevoelige detector van ultrazwakke magnetische velden. Zoals die welke hersenen of hart opwekken. Ook bij het controleren van vliegtuigwielen op haarscheurtjes komt het SQUID van pas en in 1996 slaagde de opgraving van Cleopatra's paleis mede dankzij het inzetten van SQUIDs.

Gisteren promoveerde in Twente de fysicus Martin Podt op een nieuw type SQUID dat zo gevoelig is dat hij in Leiden wordt ingezet om zwaartekrachtsgolven te detecteren. Zwaartekrachtsgolven, rimpelingen in de ruimtetijd, vloeien voort uit de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein en wereldwijd zijn diverse pogingen gaande ze waar te nemen. Dat is een heksentoer: zelfs een botsing van sterren niet al te diep in het heelal levert op aarde zo'n zwak signaal op dat alleen een technisch hoogstandje soelaas kan bieden. Het Kamerlingh Onnes Laboratorium in Leiden heeft zijn kaarten gezet op de MiniGRAIL, een metalen bol met een diameter van 65 centimeter waarin passerende zwaartekrachtsgolven mechanische trillingen opwekken. Die trilingen hebben een amplitude (maximale uitwijking) van slechts een miljardste van een miljardste cm (10 m) en de uitdaging is ze via een technisch geraffineerde aanpak niettemin in beeld te krijgen.

THERMISCHE RUIS

Om te beginnen wordt de bol met vloeibaar helium afgekoeld tot vlak boven het absolute nulpunt, wat ongewenste trillingen ten gevolge van thermische ruis onderdrukt. Door aan de 1150 kilo zware bol via een veersysteem een lichtere massa te koppelen, en daaraan een nog lichtere, wordt de trilling met een factor 900 versterkt. Op die derde trap zit een supergeleidend laagje niobium. Bewegingen van dat laagje wekken in een `oppikspoeltje' (concentrische windingen van niobiumfilm op een plaatje silicium) dat er vlak boven hangt een wisselend magnetisch veld op. En op dat moment komt de vinding van Martin Podt in beeld: dat wisselende magnetisch veld, zo is de bedoeling, wordt opgepikt door een ultragevoelig SQUID van Twentse makelij.

Omdat zijn gevoeligheid toeneemt bij lagere temperatuur maakt het SQUID, net als de MiniGRAIL-bol, contact met het heliumbad. Probleem is echter dat de elektronica die het signaal verwerkt op kamertemperatuur functioneert. Daardoor gaat het zwakke, door gravitatiegolven geïnduceerde SQUID-signaal al snel ten onder in elektronische ruis. Om de theoretisch mogelijke gevoeligheid eruit te halen heeft Podt op de printplaat waarop het SQUID is aangebracht een tweede SQUID gemaakt. De ene werkt als sensor, de tweede als voorversterker. Die voorversterker heeft door de koude geen last van ruis en het signaal dat hij aan de elektronica `buiten' afgeeft is sterk genoeg om bij zijn verdere gang door de elektronica overeind te blijven. In een verbeterde versie van het SQUID zijn zowel de sensor als de voorversterker op één chip geïntegreerd.

Inmiddels werkt Podt samen met het Leidse MiniGRAIL-team aan de implementatie van zijn SQUID. Vooral op het gebied van de warmteafvoer zijn er nog problemen te overwinnen. Het dubbele SQUID hangt in vacuüm en de printplaat waarop hij is gemonteerd is nu nog van een slecht (warmte-)geleidend soort plastic. Ook bevat de schakeling parallel aan de Josephson-juncties niet-supergeleidende weerstanden die nodig zijn om de eigenschappen van het SQUID zodanig aan te passen dat het als sensor gebruikt kan worden. Bovendien bevinden zich op de printplaat weerstanden die als elektronisch filter dienen. De warmte die deze weerstanden bij stroomdoorgang afgeven mag de temperatuur van het SQUID niet te veel opstuwen. Podt overweegt de weerstanden in het SQUID van koelvinnen te voorzien en de filters op wat grotere afstand van de printplaat te zetten. Overigens zit het SQUID (afmetingen: 2,2 bij 4,0 mm) ingepakt in een kokertje van niobium dat afscherming biedt tegen verstorende magnetische velden van buiten.

In het kader van zijn promotie-onderzoek heeft Podt ook andere typen SQUIDs onderzocht. Zo zit bij een digitaal SQUID op de chip een supergeleidende schakeling geïntegreerd die ervoor zorgt dat het uitgangssignaal van het SQUID evenredig is met de sterkte van het magneetveld. Dit concept heeft als voordeel dat het SQUID veel sneller wordt (hogere signaalfrequenties aankan), zo snel dat de elektronica bij kamertemperatuur er nu nog niet goed mee uit de voeten kan. Digitale SQUIDs zijn bij uitstek geschikt voor het uitlezen van deeltjesdetectoren, zoals detectoren voor het analyseren van hemellichamen die röntgenstraling uitzenden.