Группа российских ученых из Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и МФТИ разработала новый тип генератора терагерцового излучения, который станет «сердцем» сверхчувствительных приемников для космических и наземных телескопов. Устройство способно создавать эталонный сигнал высочайшей чистоты. Это достижение, опубликованное в Beilstein Journal of Nanotechnology, решает одну из главных проблем современной астрофизики — создание компактных и надежных источников излучения для наблюдения за самыми холодными и далекими объектами Вселенной.
Чтобы оценить масштаб проблемы, можно представить себе задачу астрономов, пытающихся разглядеть рождение звезд или тень черной дыры. Сигналы от этих объектов приходят на Землю в терагерцовом диапазоне, это «сумеречная зона» между радиоволнами и инфракрасным светом, в которой как оптические так и радиоволновые принципы генерации становятся существенно менее эффективными.
Чтобы уловить столь слабое излучение, ученые используют гетеродинные приемники. Они работают по принципу радиоприемника в автомобиле: слабый космический сигнал смешивается с мощным эталонным сигналом от генератора гетеродина, что позволяет перенести информацию на более низкую, доступную для электроники частоту. Качество всей системы напрямую зависит от этого генератора: если частота генерации нестабильна и помимо сигнала в спектре присутствует избыточный шум, то уникальные данные из глубин космоса будут безвозвратно потеряны.
Традиционные источники терагерцового излучения часто бывают громоздкими, энергозатратными или сложными в настройке. Физики обратились к технологиям сверхпроводимости, в которых электрический ток течет без сопротивления, а квантовые эффекты проявляются в макроскопическом масштабе. Ключевым элементом их генератора стали два сверхпроводника, разделенные тонким слоем изолятора, через который могут туннелировать электроны. Если к такому контакту приложить напряжение, он начинает генерировать высокочастотное излучение. Однако мощность одного контакта ничтожно мала.
Исследователи пошли путем объединения усилий. Вместо того чтобы пытаться выжать максимум из одного элемента, они создали цепочки (массивы) из сотен джозефсоновских переходов. Такая геометрия позволила добиться эффективной самосинхронизации: излучение одного контакта помогало подстроиться соседям, вовлекая в общий ритм весь массив.
Рисунок 1. Геометрия терагерцового источника. Микрофотография экспериментального чипа. Извилистая структура слева — это массив из сотен джозефсоновских контактов (увеличено на врезке), которые работают синхронно, генерируя излучение. Источник: Beilstein Journal of Nanotechnology
Федор Хан, научный сотрудник ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН и ассистент кафедры общей физики МФТИ, прокомментировал успех эксперимента: «Нам удалось заставить синхронизировать до 600 джозефсоновских контактов. Мы продемонстрировали, что во многом благодаря предложенной топологии такая система может перестраиваться в широком диапазоне частот — от 100 до 700 гигагерц, что перекрывает несколько окон прозрачности атмосферы для астрономических наблюдений. Более того, мы, насколько нам известно, впервые реализовали режим фазовой синхронизации для массива джозефсоновских переходов. Наш генератор жестко привязывается к эталонному источнику, обеспечивая спектральную чистоту сигнала с эффективностью выше 90%».
В ходе экспериментов, проводившихся при температурах, близких к абсолютному нулю (около 4 кельвинов), ученые обнаружили интересную зависимость. Оказалось, что для достижения самых высоких частот критически важна плотность тока, протекающего через контакты. Увеличив этот параметр, исследователи смогли преодолеть барьер 500 гигагерц, с которым сталкивались ранее. При этом использование хорошо отлаженной при производстве сверхпроводниковой электроники ниобиевой технологии делает производство таких чипов надежным и воспроизводимым, в отличие от более экзотических материалов.
Уникальность предложенной конструкции заключается в ее гибкости и интеграции. Генератор расположен на том же чипе, что и смеситель (самый чувствительный элемент приемника), что существенно снижает потери сигнала при передаче. Авторы также решили проблему стоячих волн, которые могли бы нарушить работу устройства, добавив специальную согласованную нагрузку, поглощающую лишнюю энергию. Это обеспечило плавную перестройку частоты без «мертвых зон», в которых генерация срывается.
Рисунок 2. Чистая нота для радиоастрономии. График показывает спектр сигнала генератора на частоте 522 ГГц. Острый пик (красная пунктирная линия) демонстрирует спектр сигнала в режиме фазовой синхронизации: шумы подавлены, а энергия сосредоточена в одной узкой полосе. Это идеальное состояние для использования в сверхчувствительных космических приемниках. Источник: Beilstein Journal of Nanotechnology
Практическое применение этой разработки трудно переоценить. Подобные генераторы необходимы для таких проектов, как «Миллиметрон» — российской космической обсерватории будущего, которая будет исследовать структуру Вселенной с беспрецедентной точностью. Также они востребованы в наземных массивах телескопов типа ALMA и Event Horizon Telescope, прославившегося первым в истории снимком черной дыры. Кроме астрофизики, компактные источники терагерцового излучения нужны для систем безопасности (сканеры в аэропортах), медицинской диагностики и экологического мониторинга атмосферы.
В ближайшем будущем научный коллектив планирует усовершенствовать топологию схем, чтобы еще больше повысить рабочую частоту и мощность излучения. Следующим шагом станет создание полнофункционального интегрального приемника, в котором новый генератор будет работать в паре с детектором, открывая новые возможности для изучения тайн космоса.
