Photon-noise-limited cold-electron bolometer based on strong electron self-cooling for high-performance cosmology missions

Bolometers for balloon and space missions have seen extensive development because of their capacity to test primordial conditions of the Universe. The major improvements consist in lowering the operating temperature to reach higher sensitivities. Here we show that an array of 192 cold-electron bolometers (CEB) demonstrates photon-noise-limited operation at the cryostat temperature of 310 mK due to effective self-cooling of the absorber. The direct electron cooling of nanoabsorber placed between normal metal - insulator - superconductor junctions has considerably higher efficiency than indirect cooling through massive suspended platform, that requires overcoming a weak electron-phonon conductance. The electron temperature reached 120 mK without a power load, and 225 mK with a 60 pW power load with self-noise of a single bolometer below 3.10(-18) W Hz(-1/2) at a 0.01 pW power load. This bolometer works at electron temperature less than phonon temperature, thus being a good candidate for future space missions without the use of dilution refrigerators.

Bolometri per missioni da pallone e spaziali hanno subito un sviluppo notevole, grazie alla loro capacità di misurare le condizioni primordiali dell'universo. I maggiori miglioramenti riguardano l'operazione a temperature sempre più basse, per raggiungere maggiori sensibilità. Qui dimostriamo che un mosaico di 192 bolometri a elettroni freddi (CEB) mostra prestazioni limitate dal rumore fotonico ad una temperatura del criostato di 310 mK, grazie ad un efficace autoraffreddamento dell'assorbitore. Il raffreddamento elettronico diretto del nanoassorbitore localizzato le giunzioni metallo - isolante - semiconduttore ha efficienza significativamente maggiore del raffreddamento indiretto attraverso una piattaforma massiva sospesa, che richiede il superamento di una debole conduttanza elettrone-fonone. La temperatura elettronica ha raggiunto 120 mK senza carico e 225 mK con un carico di 60 pW, con rumore intrinseco di ciascun bolometro inferiore a 3E-18 W/sqrt(Hz) per carico radiativo di 0.01 pW. Questo bolometro lavora con una temperatura elettronica inferiore alla temperatura fononica, ed è quindi un buon cndidato per future missioni spaziali, non richiedendo l'uso di un refrigeratore a diluizione.