WispCAV
WispCAV: Weak interacting slim particle searches with a superconducting CAVity
WISPCAV ist ein Experiment zur Suche nach schwach wechselwirkenden sub-eV-Teilchen (WISPs), insbesondere axionischer Dunkler Materie, im Frequenzbereich um ∼ 9 GHz. Dazu wird ein unterdämpfter Graphen-Josephson-Junction-(GJJ) Bolometer mit einer supraleitenden Mikrowellenkavität mit hohem Gütefaktor kombiniert. Graphen ist für diesen Zweck besonders geeignet, da es eine extrem geringe Wärmekapazität, eine hohe Elektronenmobilität und eine schwache Elektron-Phonon-Kopplung besitzt. Diese Eigenschaften ermöglichen es, selbst sehr schwache Mikrowellenphotonen effizient zu absorbieren.
In der GJJ-Struktur befindet sich Graphen zwischen zwei supraleitenden Elektroden und bildet eine hysteretische Junction. Der Schaltstrom Is (SC → NC) reagiert empfindlich auf Änderungen der Elektronentemperatur und damit direkt auf absorbierte Mikrowellenleistung. Dadurch wird eine besonders rauscharme Spannungsdetektion möglich. Aktuell wird eine mittlere rauschäquivalente Leistung von
<NEP>300 mK = (7 ± 2) × 10−19 W/√Hz,
erreicht, was bereits der Energieauflösung eines einzelnen 32 GHz-Photons entspricht. Für tiefere Temperaturen wird eine weitere deutliche Verbesserung erwartet:
<NEP>20 mK ≈ 10−21 W/√Hz.
Im Experiment wird die GJJ über einen λ/2-Resonator an die supraleitende Kavität gekoppelt, entsprechend der bewährten Auslesestruktur für Graphen-JJ-Bolometer. Eine erste Kalibrierung dieses On-Chip-Resonators wurde kürzlich an der Universität Hamburg mittels Quasi-Reflektometrie mit Gate-Spannungs-Sweeps bei 120 mK durchgeführt. Dabei zeigte sich eine Resonanzfrequenz von
f0 ≈ 8,73 GHz.
Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit der Dark Matter Axion Group (DMAG) in Südkorea durchgeführt, die derzeit die finale Mikrowellenkavität entwickelt. Diese basiert auf einer polygonalen Hochtemperatur-Supraleiter-Geometrie unter Verwendung von HTS-Bandmaterial und soll selbst unter einem externen Magnetfeld von ∼ 8 T einen Gütefaktor von
Q ≈ 107 erreicht.
Die Kavität wird koaxial an die GJJ-Bolometerkette gekoppelt. Unter Annahme eines effektiven Volumens von V = 0,12 l, eines Kopplungsfaktors C = 0,55, einer Systemrauschtemperatur von 1 K, eines Signal-Rausch-Verhältnisses von SNR = 5 sowie einer Integrationszeit von einem Tag wird erwartet, dass diese Konfiguration eine Sensitivität auf DFSZ-Axionen im Massenbereich um
ma ≈ 36 μeV erreichen kann. Die genaue Kavitätsgeometrie, die Kopplung sowie die Optimierung der Auslese werden derzeit weiterentwickelt.
Abbildung 10:
Projizierte WISPCAV-Sensitivität (blau) für die Axion–Photon-Kopplung gaγγ im Bereich um ma ≈ 36 μeV basierend auf der Konfiguration aus GJJ-Bolometer und supraleitender Kavität. Die gezeigte Projektion basiert auf den Annahmen V = 0,12 l, C = 0,55, Tsys = 1 K, SNR = 5 sowie einer Integrationszeit von einem Tag. Zum Vergleich ist die DFSZ-Referenzlinie eingetragen. Die Darstellung basiert auf einem Plot aus C. O’Hare, AxionLimits, Zenodo (2020), doi: 10.5281/zenodo.3932430.
Abbildung 9:
Prototypaufbau eines Graphen-Josephson-Junction-(GJJ-)Mikrowellenbolometers. Das Bauelement besteht aus einer Graphen-Schwachstelle zwischen zwei supraleitenden Elektroden, die eine unterdämpfte Josephson-Junction bilden, deren Schaltstrom als Detektionsgröße dient. Der Mikrowelleneingang koppelt die eingestrahlte Leistung an den On-Chip-λ/2-Resonator, wodurch das electronische System im Graphen erwärmt wird, während eine Gate-Vorspannung zur Feineinstellung des Arbeitspunkts verwendet wird. Der physikalische Maßstab ist durch eine Referenzmünze angegeben.
Ausgewählte Vorträge und Veröffentlichungen
- G. Lee et al., “Graphene-based Josephson junction microwave bolometer”, Nature 586, 42–46 (2020). doi:10.1038/s41586-020-2752-4
- D. Ahn et al., “Biaxially Textured YBa2Cu3O7-x Microwave Cavity in a High Magnetic Field for a Dark-Matter Axion Search”, Phys. Rev. Applied 17, L061005 (2022). doi:10.1103/PhysRevApplied.17.L061005
- M. Maroudas, “Axion, ALP, and HFGW Searches Across Complementary Experimental Frontiers”, 20th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs, Lisbon, 24–26 Sept 2025. https://agenda.infn.it/event/46273/contributions/269303/<;/a>
Möchtest du eine Abschlussarbeit (BSc/MSc) zu diesem Thema schreiben? Schau dir unsere Themenvorschläge an.