Das Fraunhofer IAF und das Max-Planck-Institut für Radioastronomie haben 145 hochperformante rauscharme Verstärker für den ALMA-Radioteleskopverbund in der chilenischen Atacama-Wüste bereitgestellt. Die Verstärker basieren auf InGaAs-mHEMT-MMICs und bilden essenzielle Bauteile der Hochfrequenzempfänger für den Wellenlängenbereich zwischen 2,6 und 4,5 mm (Frequenzbereich: 67 – 116 GHz, Band 2). Mit ihnen soll ALMA präzisere Messungen von Objekten und Galaxien im Universum durchführen, um neue Informationen über die Entstehung von Sternen, Planeten und Leben zu gewinnen.
Das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) in den chilenischen Anden gehört zu den leistungsfähigsten Radioteleskopanlagen der Welt. Forschende untersuchen damit dunkle und weitentfernte Bereiche im Universum, um besser zu verstehen, wie Sterne, Planeten, Galaxien oder das Leben selbst entsteht. Hierzu misst ALMA die Millimeter- und Submillimeterstrahlung, die beispielsweise von kalten Molekülwolken ausgeht. Molekülwolken sind interstellare Gaswolken mit einer Temperatur von nur wenigen zehn Kelvin, in denen sich bei entsprechender Dichte und Kälte Sterne bilden.
Insgesamt verfügt ALMA über 66 einzelne Parabolantennen mit 12 oder 7 m Durchmesser, die jeweils Hochfrequenzempfänger für zehn Wellenlängenbereiche (›ALMA-Bänder‹) zwischen 6 und 8,6 mm (35 – 50 GHz) sowie 0,3 und 0,4 mm (787 – 950 GHz) im elektromagnetischen Spektrum beinhalten. Für das Band 2, das Wellenlängen von 2,6 bis 4,5 mm (67 – 116 GHz) abdeckt, haben das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF und das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) nun 145 rauscharme Verstärker (low-noise amplifiers, LNAs) bereitgestellt. Damit sind alle ALMA-Bänder erstmals vollständig ausgestattet.
Mit dem Band 2 von ALMA wollen Forschende insbesondere das kalte interstellare Medium besser untersuchen können – ein Gemisch aus Staub, Gas, Strahlung und Magnetfeldern, aus dem Sterne entstehen. Komplexe organische Moleküle in nahegelegenen Galaxien, die als Vorläufer biologischer Bausteine infrage kommen, sowie planetenbildende Scheiben sollen durch die verbesserten Messfähigkeiten ebenfalls genauer erforscht werden.
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„Die Leistungsfähigkeit von Empfängern hängt maßgeblich von der Performance der ersten Hochfrequenz-Verstärker ab, die in ihnen verbaut sind“, erklärt Fabian Thome, Leiter des Teilprojekts am Fraunhofer IAF. „Unsere Technologie zeichnet sich durch eine mittlere Rauschtemperatur von 22 K aus, die weltweit unerreicht ist.“ Mit den neuen LNAs lassen sich die Signale bereits im ersten Schritt auf mehr als das 300-fache verstärken. „Dadurch können die ALMA-Empfänger die Millimeter- und Submillimeterstrahlung aus den Tiefen des Universums viel präziser messen und bessere Daten gewinnen. Es macht uns unheimlich stolz, dass wir mit unserer LNA-Technologie dazu beitragen können, die Ursprünge von Sternen und ganzen Galaxien besser zu verstehen.“
Den Kern der LNAs für das Band 2 von ALMA bilden monolithisch integrierte Mikrowellenschaltungen (monolithic microwave integrated circuit, MMICs) auf Basis von metamorphen Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (metamorphic high-electron-mobility transistors, mHEMTs), die das Fraunhofer IAF mithilfe des Verbindungshalbleitermaterials Indiumgalliumarsenid (InGaAs) entwickelt hat. Die zugrundeliegende Technologie ermöglicht LNAs mit besonders kleinen Rauschtemperaturen, was die Sensitivität der Empfänger deutlich erhöht. Wie der Name sagt, verbessern rauscharme Verstärker die Qualität eingehender Signale, indem sie das Signal verstärken und dabei möglichst geringe störende Hintergrundgeräusche (Rauschen) verursachen. [FhIAF / MPIfR / dre]
