Dottorato in ASTRONOMY, ASTROPHYSICS AND SPACE SCIENCE

Titolo della tesi: Development of Kinetic Inductance Detectors for CMB experiments

La radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB) è la luce più antica che possiamo osservare nell’universo, risalente all’epoca della ricombinazione. Essa presenta uno spettro di corpo nero quasi perfetto a circa 3 K, con piccole anisotropie di temperatura dell’ordine di ΔT/T ≈ 10⁻⁵. Insieme alla sua debole polarizzazione lineare dovuta allo scattering Thomson, queste caratteristiche forniscono test di precisione per il modello ΛCDM, per la fisica dell’inflazione e della reionizzazione, e per la formazione delle strutture a grande scala. Raggiungere un nuovo livello di sensibilità — in particolare per la misura dei modi B di polarizzazione a grandi scale angolari, per le distorsioni spettrali, per l’effetto di lente gravitazionale su piccola scala e per la caratterizzazione spettrale dei foregrounds — richiede matrici di rivelatori con migliaia di pixel, basso rumore equivalente in potenza (NEP) e sistemi di lettura robusti e altamente multiplexati. I rivelatori a induttanza cinetica (KIDs) soddisfano questi requisiti grazie a una combinazione particolarmente favorevole di scalabilità, semplicità e prestazioni. I KIDs sono risonatori superconduttivi la cui frequenza di risonanza e fattori di qualità cambiano quando i fotoni incidenti rompono le coppie di Cooper, modificando l’induttanza cinetica. Il loro funzionamento a temperature sotto il kelvin consente prestazioni limitate unicamente dal rumore dei fotoni in diverse bande spettrali della CMB. Un vantaggio fondamentale è il multiplexing intrinseco nel dominio della frequenza: migliaia di risonatori ad alto Q possono essere accoppiati a una singola linea di lettura, riducendo la complessità del cablaggio criogenico e il carico termico, e permettendo piani focali compatti delle dimensioni di un wafer. Inoltre, i KIDs sono compatibili con i processi standard di microfabbricazione a film sottile, consentendo una rapida iterazione di materiali, geometrie e schemi di accoppiamento ottico. In questi tre anni di progetto di dottorato, abbiamo sviluppato diverse matrici di KIDs a elementi concentrati (LEKIDs), che assorbono direttamente la radiazione in una struttura a meandro induttivo, per esperimenti e attività riguardanti lo studio della CMB attraverso i suoi principali osservabili: spettro, anisotropie di temperatura e polarizzazione. Per quanto riguarda lo spettro, presentiamo i risultati della caratterizzazione elettrica della seconda iterazione del design dei rivelatori dell’esperimento COSMO, con lo scopo di misurare le distorsioni spettrali isotrope della CMB dall’Antartide in due bande di frequenza centrate a 150 e 250 GHz, utilizzando due matrici di LEKIDs multi-modo. Le anisotropie di temperatura vengono osservate da MISTRAL, una camera in banda W ad alta risoluzione angolare che opera al fuoco gregoriano del Sardinia Radio Telescope, e da OLIMPO, un telescopio multibanda montato su pallone stratosferico che osserva gli ammassi di galassie tramite l’effetto Sunyaev–Zel’dovich. Presentiamo la caratterizzazione elettrica e ottica della matrice di rivelatori di MISTRAL e della matrice a 360 GHz di OLIMPO. Discutiamo inoltre i test di integrazione di MISTRAL al telescopio, inclusa la sua prima luce — un traguardo fondamentale che dimostra il corretto funzionamento dello strumento — e introduciamo un metodo di mappatura del piano focale basato su una matrice di LED criogenici. Per quanto riguarda la polarizzazione, abbiamo sviluppato una matrice di rivelatori sensibili alla polarizzazione per il progetto di ricerca ASI/PREMIALE, presentando la caratterizzazione elettrica e ottica della matrice a 240 GHz, la caratterizzazione elettrica della matrice a 350 GHz e quella di un prototipo preliminare per il nuovo ricevitore in banda W del telescopio QUIJOTE, che sarà operato presso l’Osservatorio del Teide. Dopo aver discusso le caratteristiche generali dei KIDs — come le loro proprietà superconduttive, la modellizzazione circuitale, le sorgenti di rumore e il design — illustriamo la procedura di ottimizzazione del progetto attraverso simulazioni elettromagnetiche e dimostriamo le loro prestazioni elettriche e ottiche in termini di responsività, livello di rumore, NEP ed efficienza ottica.