Ученые из Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева разработали и запатентовали датчики для регистрации электромагнитного излучения с рекордной чувствительностью. В основе их действия — эффект туннельного перехода. Такие системы способны регистрировать даже самые слабые сигналы электромагнитного излучения. Однако их точность могут снижать утечки тепла через электрон-фононное взаимодействие и неоднородности барьера.
Нижегородские физики решили эту проблему, добавив в структуру «суперконденсатор—изолятор—нормальный металл» нанослой гафния. Этот материал в три раза по сравнению с чистым алюминием уменьшил электрон-фононную связь. Кроме того, благодаря высокой плотности гафния растущий поверх него алюминиево-оксидный туннельный барьер получился более плотным и однородным, что снизило паразитные токи.
«Для болометра на холодных электронах это принципиально: чем слабее нежелательный теплообмен с окружающей решеткой, тем сильнее изменение электронной температуры при поглощении очень малой мощности и тем выше потенциальная чувствительность. Кроме того, авторы связывают применение гафния с улучшением однородности формируемого барьера и уменьшением токов утечки. В патенте для одного из реализованных вариантов при температуре 300 мК и сигнале 14,5 ГГц заявлена мощность, эквивалентная шуму, менее 6 аВт/√Гц. Это чрезвычайно малая величина»,— прокомментировал разработку директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ доктор физико-математических наук Василий Столяров.
При этом он предостерег от «игр» с количеством нулей, поскольку для специалистов важнее не рекордные параметры, а условия, при которых они достигнуты. Такие, как температура, рабочая частота, полоса приема, режим смещения, вклад усилительной электроники.
Тем не менее возможность работать с мощностями такого уровня показывает, насколько далеко сегодня продвинулись технологии. Речь фактически идет о системах, где уже существенными становятся флуктуации отдельных квантов электромагнитного поля, подчеркнул ученый.
Согласно заявленным характеристикам, новые устройства позволят решать самые сложные задачи современной радиоастрономии. Такие, как исследование реликтового микроволнового фона Вселенной и поиск частиц гипотетической темной материи. В частности, датчики могут быть востребованы в перспективных космических обсерваториях и наземных радиотелескопах.
Как отметил Василий Столяров, неожиданные результаты дало применение разработки при исследовании фотонного шума. Оказалось, что при определенных условиях приемник перестает быть пассивным наблюдателем и начинает формировать статистику измеряемого излучения вместе с источником. Описание эксперимента опубликовано в журнале Physical Review Applied.
«В работе интересно совпали два направления. С одной стороны, развитие технологии сверхчувствительных криогенных детекторов на основе болометров на холодных электронах. С другой — исследование фундаментальных свойств очень слабого электромагнитного излучения, фактически уже на уровне его фотонной статистики»,— поделился Столяров.
Важно, что речь идет не только об очередном увеличении чувствительности прибора, отметил специалист. Разработчики показали, что приемник и спектральные свойства источника могут совместно формировать наблюдаемый шумовой сигнал. То есть детектор здесь — уже не пассивный инструмент. Его частотная характеристика существенно влияет на то, какая статистика будет получена.
Чтобы понять суть эффекта, пояснил специалист, нужно представить источник, частота которого немного «дрожит». Если чувствительность приемника одинакова на всех близких частотах, эти колебания практически незаметны. Но если рабочая точка находится на крутом участке частотной характеристики детектора, даже небольшое изменение частоты превращается в заметное изменение амплитуды регистрируемого сигнала.
Это и произошло в эксперименте. Частотные флуктуации источника приемник преобразовывал в дополнительные амплитудные флуктуации. В результате измеренный фотонный шум оказался существенно выше теоретических ожиданий.
По словам Василия Столярова, разработка представляет фундаментальный интерес, потому что статистика фотонов — один из наиболее прямых способов понять природу электромагнитного излучения.
За пределами лабораторий очевидные применения новых устройств — радиоастрономия и космология. Это сферы, где современные эксперименты стремятся измерять чрезвычайно слабые особенности реликтового микроволнового излучения. При таком уровне чувствительности важно понимать не только среднюю мощность приходящего сигнала, но и его статистику, спектральную структуру и то, каким образом они преобразуются самим приемником.
«Авторы, в частности, обратили внимание на аномальное микроволновое излучение, которое может содержать сравнительно узкие спектральные компоненты. Если они дают дополнительный bunching-вклад (эффект, при котором фотоны прибывают группами.— “За науку!”), это способно влиять на шумовую картину высокочувствительных измерений. Поэтому их необходимо учитывать при интерпретации данных»,— рассказал ученый.
При этом он подчеркнул, что нужно разделять уже продемонстрированный результат и перспективные применения. Сейчас показан качественный исследовательский инструмент и технологическая платформа. Чтобы говорить о серийном приборе для конкретной космической миссии или, например, детектировании темной материи, необходимо добиться воспроизводимости технологии, наладить масштабирование матриц, интегрировать датчики с низкошумящей электроникой и пройти длительные ресурсные испытания.
«Одним из значимых итогов работы стала переоценка принципа измерений в квантовой физике. Обычно мы мысленно разделяем источник и детектор. Первый дает некоторую статистику, а прибор должен ее просто зарегистрировать. Здесь показано, что в реальной сверхчувствительной системе это разделение не всегда возможно. Спектральные флуктуации источника и частотная характеристика приемника работают совместно. Поэтому то, что мы называем “измеренной фотонной статистикой”, в некоторых режимах оказывается характеристикой всей системы источник—канал передачи—детектор»,— поделился мнением Василий Столяров.
На следующем шаге, добавил он, разработчики могут получить более полную модель, которая опишет конечную ширину спектральной линии источника совместно с реальной частотной характеристикой приемника.
«В работе есть интересный момент,— привел пример ученый.— Стандартная формула фотонного шума хорошо описывает форму экспериментальной зависимости. Однако для количественной аппроксимации приходится использовать эффективную ширину полосы около 1,37 МГц, тогда как теоретическая оценка ширины линии джозефсоновского генератора составляет порядка 50 МГц, а полоса антенны приемника — около 33 ГГц. Авторы прямо указывают, что это говорит о необходимости пересмотра модели для узкополосных, но не полностью когерентных источников».
Такие расхождения между привычной теорией и хорошо поставленным экспериментом часто наиболее плодотворны: они показывают, где заканчивается область применимости существующей модели и начинается новая физика, резюмировал ученый.
