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Matrices de bolomètres

Le Rayonnement Fossile Micro-onde à 2.7K est un des sujets de recherche majeurs en Astrophysique, à l’origine d’une découverte inattendue par Penzias et Wilson en 1964. L’étude de ce rayonnement a entrainé, depuis, le lancement de nombreux satellites et ballons stratosphériques (COBE, WMAP, Planck, Boomerang, Archeops…) et a motivé des nombreux projets basés sur des télescopes terrestres. Bien que la mesure d’un Corps Noir puisse paraitre simple, en réalité celle du Rayonnement Fossile est très riche d’informations et très délicate à effectuer de manière précise. En effet, la formation et l’évolution de notre Univers ont produit des très faibles écarts de température par rapport à une loi de Corps Noir parfait. Ce sont ces inhomogénéités que les matrices de bolomètres développées au CSNSM tentent de mesurer avec une résolution ultime DT/T<10-6. Par ailleurs, l’étude de la polarisation de la lumière, émise par ce Corps Noir, sera un objectif prioritaire dans les années à venir.

Introduction

Les bolomètres fonctionnant à très basse température occupent une place importante dans la grande famille des détecteurs de rayonnement. Ce sont les détecteurs les plus performants dans la bande millimétrique des longueurs d’onde, surclassant les photodétecteurs semiconducteurs et la détection hétérodyne. C’est précisément la gamme d’énergie caractéristique du rayonnement fossile à 2,7°K dont l’étude a bouleversé la Cosmologie ces dernières décennies. Le lancement du satellite Planck le 14 mai 2009, qui mesure les fluctuations de température du CMB (Cosmological Microwave Background), est l’aboutissement d’un progrès incontestable sur ce type de détecteurs. Pour aller plus loin dans la compréhension des nombreux problèmes cosmologiques on prépare d’ores et déjà des prolongements à Planck avec des missions spatiales comme SPICA ou Bpol pour l’étude de la polarisation de la lumière du CMB.
A plus haute fréquence, dans le domaine des rayons X, les bolomètres permettent de gagner un facteur 10 sur la résolution par rapport aux détecteurs semiconducteurs, grâce à l’usage des très basses températures. Des missions spatiales telles que IXO utiliseront certainement ce type de détecteurs à l’horizon 2020. La performance exceptionnelle en résolution de ces dispositifs (appelés aussi microcalorimètres X) est utilisée aussi dans le domaine de l’analyse des matériaux par fluorescence X en microscopie électronique.
Dans toutes ces applications, le problème de l’efficacité est devenu la préoccupation essentielle. Les bolomètres de Planck par exemple sont limités par le bruit de photons de l’expérience. Pour aller plus loin dans les observations il faut optimiser la collecte de la lumière au plan focal et donc multiplier le nombre de détecteurs. Un effort considérable est donc entrepris actuellement dans le monde pour réaliser des matrices de bolomètres de plusieurs milliers de pixels. Ceci nécessite d’utiliser des méthodes de fabrication basées sur des techniques de lithographie, et développer parallèlement une lecture multiplexée des détecteurs, l’ambition étant de réaliser de véritables caméras bolométriques.
Depuis plusieurs années l’équipe "détecteurs cryogéniques" du CSNSM, s’est engagée dans cette voie à travers des collaborations nationales et internationales (DCMB, BSD, QUBIC) qui regroupent les compétences de plusieurs laboratoires pour réaliser, caractériser et proposer des matrices de bolomètres de caractéristiques adaptés au différents projets d’Astrophysique.

Méthodes expérimentales

Dans une matrice de bolomètres la structure de base d’un pixel se compose de trois éléments : un absorbeur de l’onde millimétrique, un thermomètre ultra-sensible et un support de ces deux éléments, qui les isole thermiquement du bain froid (typiquement 100 ou 300 mK). Chacun d’eux peut être réalisé de diverses manières : cornets, films absorbants ou antennes pour l’absorbeur ; matériau de haute impédance (isolant d’Anderson) ou supraconducteur dans leur transition (TES) pour les thermomètres ; membranes pleines ou structurées pour le découplage thermique. Le découplage thermique est un point critique du détecteur car il conditionne directement sa sensibilité et se heurte souvent aux limites des prouesses possibles en micro fabrication pour la réalisation des membranes très fines ou des structures en toile d’araignée.
En parallèle avec le développement de détecteurs basés sur des supports en Si3N4 micro-structurés à fort découplage thermique, nous avons démarré au CSNSM l’étude d’un dispositif innovant basé sur le découplage électron-phonon : dans un matériau thermométrique approprié, le NbxSi1-x amorphe, l’énergie est absorbée par le bain d’électrons dont la température est mesurée par sa résistivité électrique. Le découplage thermique est obtenu par le découplage naturel entre les électrons et les phonons du NbxSi1-x qui varie en T4 et peut donc être réduit suffisament en abaissant la température. Le recours aux très basses températures est de toute façon souvent nécessaire pour réduire les bruits thermodynamiques fondamentaux. Nous obtenons ainsi l’absorption du rayonnement électromagnétique, la mesure de température et le découplage thermique au sein d’un même matériau, ce qui simplifie considérablement la micro-fabrication des matrices à grand nombre de pixels.
L’optimisation de ce dispositif profitera des études fondamentales sur les transitions métal-isolant et supraconducteur-isolant effectué ces dernières années au CSNSM sur des couches minces de NbxSi1-x. Ce matériau à l’état massif est isolant d’Anderson (x< 9%) ou supraconducteur (x>12%) avec une résistivité élevée à l’état normal (500 à 1000 µOhm.cm). La température critique dépend de la composition x et de l’épaisseur. On a donc une grande souplesse pour ajuster la résistance carrée d’un film, sa température critique supraconductrice ou sa température caractéristique T0 pour un isolant d’Anderson.

Concernant le couplage électron-phonon nous obtenons la loi :

Abaisser la température permet de gagner très rapidement en découplage, la limite étant donnée par l’augmentation du temps de réponse du dispositif qui est typiquement de 1ms à 70mK.

Plusieurs géométries et compositions x ont été envisagées pour le senseur en NbxSi1-x afin d’optimiser l’absorption des photons dans la gamme 100-1000GHz et adapter les matrices à une électronique de lecture aussi bien haute impédance (JFETs ou GaAs) que basse impédance avec des SQUIDs.

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Réalisation des matrices de bolomètres en NbSi sur membranes suspendues (gauche) et à découplage électron-phonon (droite).

Conclusion et perspectives

La réalisation des matrices de bolomètres performantes pour la détection infrarouge ont incontestablement permis d’envisager des expériences très ambitieuses en Astrophysique. Les dispositifs développés dans ce cadre par notre équipe sont très prometteurs pour les mesures de la polarisation de la lumière du Fond Diffus Cosmologique. Le projet QUBIC vise la détection des « modes B » de cette polarisation sur le site du dôme C en Antarctique et profitera des possibilités offertes par ce nouveau type des détecteurs.

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