В поисках неуловимого: физики из НГТУ создали уникальный детектор микроволновых фотонов

Сотрудники Нижегородского государственного технического университета (НГТУ) при поддержке Российского научного фонда создали уникальный прототип счетчика фотонов микроволнового диапазона частот. Как сообщили в Минобрнауки РФ, это изобретение может быть использовано для изучения «темной материи».

«Мы впервые в мире сделали столь чувствительный детектор, который может ловить одиночные и парные фотоны микроволнового диапазона. Ни у кого в мире детекторов с такими параметрами нет», - рассказал ведущий научный сотрудник Андрей Панкратов. Разработанный прибор демонстрирует эффективность детектирования на уровне нескольких процентов. Ученые продолжают работу по повышению этого показателя до десятков процентов.

Достигнутое на новом приборе энергетическое разрешение - на четыре порядка лучше, чем у выпускаемых в настоящее время в России однофотонных детекторов инфракрасного диапазона частот, которые используются в системах квантовой передачи информации.

Панкратов пояснил, что для улавливания фотонов лучше всего подходят алюминиевые "джозефсоновские" контакты. «Детектор представляет из себя трехслойную наноструктуру. Вы берете подложку из кремния, напыляете на нее слой алюминия. Площадь - микрон на микрон, даже меньше. Потом этот слой алюминия вы окисляете, напустив кислород, и у вас возникает туннельный барьер, тонкий окисел алюминия. А потом сверху напыляете еще один слой. Получается структура: сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник. Это требует нанолитографии и электронно-лучевого напыления», - поделился ученый.

Детектор устанавливается на самой холодной плите криостата (специального лабораторного холодильника). В роли источника фотонов выступает обычный микроволновый синтезатор, давно используемый в науке.

«При комнатной температуре идет сигнал внутрь криостата через коаксиальный кабель и доходит до самой холодной плиты температурой в 10 милликельвин. На ней стоит счетчик фотонов. Поскольку мы сигнал очень сильно ослабляем, он разваливается на поток фотонов. Достаточно энергии одного фотона, чтобы наш детектор дал "клик" с появлением конечного напряжения. Было ноль - стало 0,4 милливольта, это уже можно измерить», - рассказал Панкратов.

Варьируя порог чувствительности детектора, исследователи начинают определять, одиночный фотон прилетел, или два-три. С помощью таких приборов физики надеются узнать больше о «темной материи», которая пока, как отметил Панкратов, являет собой «гипотетические частицы, которые еще никто не обнаружил».