The Magnetic Microbolometer: A Novel Cryogenic Detector for Cosmology

Diese Dissertation präsentiert die grundlegende Arbeit zur Entwicklung eines Magnetischen Mikrobolometers (MMB), eines neuartigen kryogenen Detektorkonzepts für Polarisationsmessungen der Kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) mit bisher unerreichter Präzision. Das MMB baut auf den Prinzipien eines Magnetischen Mikrokalorimeters (MMC) auf und passt diese Klasse von paramagnetischen Sensoren für den Einsatz als hochsensitive kryogene Bolometer an, wodurch die MMC-Technologie in den Bereich der Beobachtungskosmologie erweitert wird.


Die dieser Arbeit zugrunde gelegten Detektoranforderungen stammen aus dem Q & U Bolometric Interferometer for Cosmology (QUBIC). ... mehrDieses Instrument ist dafür konzipiert, die Polarisation der CMB auf großen Winkelskalen zu beobachten, um nach primordialen B-Moden im Polarisationsspektrum der CMB zu suchen. QUBIC trägt zu den weltweiten Bemühungen bei, die Vorhersagen der Theorie der kosmischen Inflation zu überprüfen. Obwohl die MMB-Technologie im Kontext von QUBIC untersucht wird, ist das Konzept grundsätzlich vielseitig und kann an die Anforderungen einer breiten Palette kryogener Anwendungen über dieses spezifische Experiment hinaus angepasst werden.

Diese Dissertation umfasst ein breites Spektrum von der theoretischen Modellierung bis zur experimentellen Umsetzung. Die theoretische Analyse des MMB-Konzepts beginnt bei den zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien und führt zu Abschätzungen der Signalantwort und der Rauschcharakteristika. Zudem wird die Eignung des MMB zur Erfüllung der anspruchsvollen Anforderungen bodengebundener CMB-Polarisationsexperimente gezeigt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde ein Herstellungsprozess zur Umsetzung der MMB-Detektortechnologie entwickelt, einschließlich der Optimierung von Mikrostrukturierungstechniken und Materialprozessen, die für die Herstellung funktionaler MMB-Prototypen erforderlich sind. Diese Entwicklung umfasste auch den Entwurf und den Aufbau einer Ätzanlage für den Einsatz von Xenondifluorid (XeF$_2$) als Prozessgas, die notwendig ist, um das MMB-Detektorkonzept vollständig zu realisieren. Schließlich wird die experimentelle Charakterisierung der gefertigten Detektorprototypen vorgestellt. Hierzu wurde ein spezieller kryogener Versuchsaufbau realisiert, um Tieftemperaturmessungen der ersten Prototypen in einem $^3$He/$^4$He-Verdünnungskryostaten durchzuführen.

Insgesamt etabliert diese Arbeit die theoretischen und experimentellen Grundlagen des MMB-Detektors, identifiziert zentrale Herausforderungen in der Fertigung und definiert einen klaren Weg zur weiteren Optimierung. Sie leistet sowohl einen Beitrag zur Weiterentwicklung kryogener Detektortechnologien als auch zu den umfassenderen Bemühungen, durch die Einführung einer neuartigen Detektortechnologie Messungen der nächsten Generation des CMB zu ermöglichen, die auf die Erforschung des Ursprungs des Universums abzielen.

This thesis presents the foundational work in the development of a Magnetic Microbolometer (MMB), a novel cryogenic detector concept designed for polarization measurements in Cosmic Microwave Background (CMB) surveys with unprecedented precision. The MMB builds on the principles of Magnetic Microcalorimeters (MMC), adapting this class of paramagnetic sensors for use as highly sensitive cryogenic bolometers, thereby extending MMC technology into the domain of observational cosmology.

The detector requirements used in this work are derived from the Q & U Bolometric Interferometer for Cosmology (QUBIC) instrument. ... mehrIt is designed to observe the polarization of the CMB at large angular scales in the search for primordial B-modes in the polarization spectrum of the CMB. QUBIC contributes to the global effort to test predictions of the theory of cosmic inflation. While the MMB design is evaluated within the context of QUBIC, the concept is inherently versatile and can be adapted to meet the needs of a wide range of cryogenic instrumentation beyond this specific experiment.

This thesis spans a wide spectrum from theoretical modeling to experimental realization. The theoretical analysis of the MMB concept is presented starting from the underlying physical principles to obtain estimations of the signal response and noise characteristics. The suitability of the MMB for its applicability to the demanding requirements of ground-based CMB polarization experiments is also shown. Based on these findings, a fabrication pathway to implement the MMB detector technology was developed, including the optimization of microfabrication techniques and material processes necessary to produce functional MMB prototypes. This development also included the construction of a xenon difluoride (XeF$_2$) etching system that is required to fully materialize the MMB detector concept. Finally, the experimental characterization of the fabricated detector prototypes is presented. A dedicated cryogenic setup was assembled to perform low-temperature measurements of the first prototypes in a $^3$He/$^4$He dilution refrigerator cryostat.

Altogether, this work establishes the theoretical and experimental foundations of the MMB detector, identifies key fabrication challenges, and defines a clear path for further refinement. It contributes both to the advancement of cryogenic detector technologies and to the broader effort of enabling next-generation measurements of the CMB by introducing a new detector technology aimed at probing the birth of the Universe.