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(El contenido de este artículo forma parte del Capítulo 12 de mi libro ¿Qué hacen por nosotros los semiconductores?)
La observación del universo en el infrarrojo (IR) se ha revelado como una herramienta valiosísima de obtención de información. Los satélites COBE (Cosmic Background Explorer), WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) y Planck exploraron la radiación de fondo IR. Hay diversos instrumentos de observación operativos que detectan la radiación IR procedente de las diversas estructuras y objetos del Cosmos, como es el caso del telescopio James Webb que dispone de cuatro instrumentos de observación que utilizan detectores de IR para realizar sus observaciones, tal y como describo brevemente a continuación.
– Near-Infrared Camera (NIRCam). Es una cámara de IR cercano. Analiza objetos tenues, las primeras estrellas y galaxias formadas después del Big Bang.
– Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec). Espectrógrafo de IR cercano. Puede analizar la temperatura, masa y composición química de cien objetos en observación simultáneamente.
– Mid-Infrared Instrument (MIRI). Instrumento de IR medio. Está encargado de estudiar cúmulos estelares distantes, áreas de intensa formación estelar y exoplanetas.
– Fine Guidance Sensor/ Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS). Es un sistema capaz de captar imágenes de IR cercano y analizar las emisiones con un espectrógrafo. Sirve para observar galaxias distantes, atmósferas de exoplanetas y objetos cercanos. Dispone de un sensor de orientación de gran precisión que permite apuntar el telescopio a objetivos determinados.
El funcionamiento del JWST, en grandes líneas, es como sigue: los 18 hexágonos del espejo primario captan la radiación IR que viaja por el espacio y la refleja en un espejo secundario más pequeño. A continuación, el espejo secundario dirige la luz hacia los instrumentos científicos. Estos filtran la luz, o la dispersan espectroscópicamente, antes de enfocarla finalmente hacia los detectores. Webb necesita detectores extraordinariamente sensibles para registrar la débil luz IR emitida por las galaxias, las estrellas y los planetas lejanos. Necesita conjuntos de detectores de gran superficie para poder estudiar eficazmente esa radiación.
Este vídeo resume de manera muy gráfica el funcionamiento del JWST: https://www.youtube.com/watch?v=aICaAEXDJQQ
1. Los diferentes detectores de IR del JWST
Webb utiliza dos tipos diferentes de detectores: detectores de cadmio-mercurio-teluro (CdHgTe, abreviado CMT) denominado H2RG para el infrarrojo cercano de 0.6-5 μm (instumento NirCAM) y detectores de silicio dopado con arsénico (abreviado Si:As) para el infrarrojo medio de 5-28 μm (instrumento MIRI). Los detectores del infrarrojo cercano (Instrumentos NIRCam, FGS y NIRSpec) fueron fabricados por Teledyne Imaging Sensors en California. Los detectores del infrarrojo medio fueron fabricados por Raytheon Vision Systems, también en California. Cada detector de CMT tiene unos 4 millones de píxeles. Los detectores de infrarrojo medio tienen alrededor de 1 millón de píxeles cada uno.
La siguiente imagen muestra corazón del detector del instrumento NIRCam, donde podemos ver el mosaico de 2 × 2 detectores IR de 2048 × 2048 pixeles cada uno (4,2 millones de pixeles cada matriz; 16,7 millones de pixeles el mosaico completo). En la figura se observa el deflector óptico negro que recibe la luz en los cuatro detectores mientras que la bloquea para que no incida sobre ninguna superficie que la pueda reflejar, como los bordes de un detector.
El CMT es un material muy interesante. Variando la proporción entre el mercurio y el cadmio, es posible ajustar sus propiedades (esencialmente, el valor de su gap de energía prohibida) para que detecte luz de mayor o menor longitud de onda. Los detectores del Webb de este semiconductor lo aprovechan utilizando dos composiciones de mercurio-cadmio-telururo: una con menos mercurio proporcionalmente para la banda infrarroja 0.6 – 2.5 mm, y otra con más mercurio para la de 0.6 – 5 mm. La tabla muestra cuántos detectores de cada tipo contiene cada instrumento.
En la siguiente imagen podemos ver, a la izquierda, el detector de la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) con los deflectores ópticos retirados. La luz se recoge en la película púrpura de CMT. La película está pixelada, aunque los píxeles individuales son demasiado pequeños para ser vistos a simple vista aquí. A la derecha vemos el detector del instrumento MIRI
2. Arquitectura de los detectores IR del Webb
Todos los detectores del JWST y de prácticamente todos los sistemas de detección del IR basados en CMT tienen la misma arquitectura básica en forma de sándwich, que muestro en la figura siguiente:
El sándwich consta de tres partes
– Una fina capa absorbente de semiconductores compuestos, que es el detector propiamente dicho. Está integrada por millones de píxeles de CMT o Si:As, que absorben la luz y la convierten en tensiones en cada uno de los píxeles individuales.
– Una capa de interconexiones de pequeñas bolitas de indio para unir cada píxel de la capa detector con la electrónica de lectura, situada en la parte inferior del detector.
– Un circuito integrado de lectura de silicio ‒Read Out Integrated Circuit, ROIC‒ para leer los datos generados por la radiación IR en los millones de píxeles del detector, utilizando un número manejable de salidas.
La matriz de detectores de CMT y el ROIC de silicio se fabrican por separado. Una vez fabricados de manera independiente la matriz de detectores y el circuito de lectura, la conexión entre el primero y el segundo se realiza mediante soldadura en frío, para ello, la matriz de los detectores y el circuito de lectura son alineados adecuadamente y se aplica una fuerza que causa que los bumps de indio se suelden en frío, gracias a que el indio es un metal blando que se deforma bajo una presión moderada. Para aumentar la resistencia mecánica, se introduce una resina epoxi de baja viscosidad entre las uniones de indio durante las últimas etapas de la «hibridación» (conexión CMT-ROIC). La imagen muestra los posibles procedimiento de interconexión híbrida entre una matriz de detectores y un ROIC de silicio: (a) técnica de protuberancias de indio, (b) técnica de malla, (c) foto SEM que muestra una matriz de fotodiodos con protuberancias de indio, y (d) diseño híbrido en capas adecuado para matrices de gran formato de IR lejano. Estos últimos son los que llevan los instrumentos del JWST.
En líneas generales, el sistema de detección mostrado en la figura anterior funciona así: la radiación IR es recogida y concentrada por una lente, que la dirige hacia su plano focal donde se sitúa el sistema de detección propiamente dicho, que como ya se ha indicado es un circuito híbrido integrado por dos componentes: el detector de IR, constituido por una matriz de pequeños detectores (denominados pixeles) de un semiconductor sensible al IR y el circuito electrónico de lectura, realizado en silicio. La radiación IR genera electrones en cada píxel, que se transfieren al circuito de lectura a través de pequeñas columnas de indio (bumps) de tamaño micrométrico, mediante los que se conectan todos y cada uno de los píxeles con su circuito de lectura situado en el chip de silicio. Una vez que la señal generada en cada píxel del detector llega al circuito de lectura, se convierte en una señal eléctrica y se envía a una pantalla donde se transforma en una imagen visible.
3. Epilogo
Gracias a los instrumentos descritos, el JWST nos ha ofrecido algunas imágenes del universo verdaderamente espectaculares. Finalizo el artículo con una de las imágenes más espectaculares tomadas por el Webb: Los Pilares de la Creación. Está construida a partir de la fusión de dos imágenes IR, captadas en el IR cercano por la cámara NIRCam y en el IR medio por la cámara MIRI. Los Pilares parecen arcos y columnas que emergen de un paisaje desértico, pero están llenos de gas y polvo semitransparentes y están en constante cambio. Es una región donde se forman estrellas jóvenes. El telescopio espacial Hubble hizo famosos los Pilares de la Creación al captarlos por primera vez en 1995. Se encuentran en la Nebulosa del Águila, a ~7000 años-luz.
Un poco de ciencia, por favor 