• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
24 июня, 14:40
Институт прикладной физики РАН
723

Ученые впервые зафиксировали одиночные тепловые фотоны и сделали шаг к поиску темной материи

❋ 5.1

Сотрудники Института физики микроструктур РАН (филиал ИПФ РАН) приняли участие в разработке детектора одиночных микроволновых фотонов и провели цикл измерений по исследованию статистики тепловых фотонов в лаборатории «Сверхпроводниковая наноэлектроника» Центра квантовых технологий в НГТУ. Ученым удалось впервые в мире зафиксировать одиночные фотоны в области 14 ГГц, имеющие тепловую природу.

Скопление галактик Abell 2218 (снимок телескопа Хаббл) / © Andrew Fruchter, NASA

Результаты опубликованы в журнале Nature Communications. Исследование проводилось в рамках проекта сотрудников НГТУ при поддержке РНФ.

Детектирование одиночных фотонов в гигагерцовом диапазоне длин волн, а тем более исследование их статистики, является крайне сложной задачей. А именно в этом диапазоне, и особенно в интервале от 5 до 15 ГГц, ученые надеются обнаружить частицы темной материи – аксионы, которые в сильных магнитных полях должны конвертироваться в фотоны. Микроволновой диапазон перспективен для разработчиков фотонных квантовых компьютеров. В отличие от оптического диапазона, где сложно произвести запутывание фотонов из-за малых нелинейностей и малых длин волн, из-за чего такие компьютеры являются вероятностными, в микроволновом диапазоне относительно легко достижим режим сильной связи между «фотонными» кубитами. Благодаря этому можно реализовывать многокубитные операции и таким образом создать универсальный фотонный квантовый компьютер, где кубитами являются не отдельные логические элементы, а операции над фотонами.

Для создания и проведения эксперимента объединились ученые разных стран и научных институтов. Серию образцов детектора создали под руководством профессора Леонида Сергеевича Кузьмина на базе Технологического университета Чалмерса (Швеция). Их соавтором и основным технологом, изготовившим образцы, стала Анна Гордеева, руководитель лаборатории «Сверхпроводниковая наноэлектроника» НГТУ. Медный резонатор, являющийся источником тепловых фотонов,  изготовил Николо Крещини из Национального института ядерной физики (Падуя, Италия), а нижегородские ученые, сотрудники ИФМ РАН, осуществляли доработку и настройку антенны резонатора с использованием оборудования Центра коллективного пользования ИФМ РАН.

Андрей Панкратов с управляющей стойкой криостата растворения Triton 200 в Центре квантовых технологий НГТУ / © Пресс-служба ИПФ РАН

Cборка системы «источник фотонов-детектор» проходила в лаборатории НГТУ под руководством Андрея Панкратова, доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника отдела терагерцовой спектрометрии ИФМ РАН. Научные сотрудники института также отвечали за настройку измерительного стенда, создание программного обеспечения, проведение экспериментов и обработку данных.

Для создания уникальных детекторов специалисты НГТУ использовали джозефсоновский переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник на основе алюминиевых наноструктур. Такой подход позволил добиться большого времени между ложными срабатываниями – 10 секунд, это мировой рекорд.

«Наш детектор имеет время ложного срабатывания 10 секунд и при этом его эффективность достигает 45%. Эффективность ограничивается не свойствами детектора, а критической связью антенны и резонатора, что приводит к испусканию каждого второго фотона, рожденного в резонаторе. При увеличении времени ложного срабатывания количество «пойманных» фотонов уменьшается. Но мы уже понимаем, как решить эту задачу. Вполне реально увеличить время между ложными срабатываниями до 1000 секунд и практически не снижать эффективность детектора. Мы уже работаем над этим», — рассказывает Андрей Панкратов.

Исследования детектора и резонатора проводились в криостате растворения при температурах 20-80 мК. В этом диапазоне температур можно менять поток тепловых фотонов из резонатора от 1 фотона за 1000 секунд до нескольких тысяч фотонов в секунду и эффективно настраивать систему детектирования, изменяя ток через джозефсоновский контакт. Одним из важных результатов работы является демонстрация супер-Пуассоновской статистики фотонов, что подтверждает их тепловую природу, а также является признаком квантового хаоса.

«Нижегородский детектор работает в диапазоне 14 ГГц, благоприятном для поиска аксионов, – поясняет Андрей Панкратов. – Аксионы являются одними из наиболее вероятных кандидатов на роль частиц темной материи, неизученной потому, что она не взаимодействует с электромагнитным излучением, а проявляется только гравитационно. Обнаружить аксионы напрямую невозможно, но предполагается, что в сильном магнитном поле они могут конвертироваться в фотоны. Многие научные группы в мире пытаются решить задачу обнаружения фотонов от конверсии аксионов. Созданная нами рабочая система хороша тем, что не требует для своей работы низкофоновых условий. Ее не надо помещать глубоко под землю, чтобы уменьшить помехи. Поэтому поиск аксионов можно проводить в любой лаборатории, где имеется соответствующее оборудование».

Для дальнейшего развития этого исследования потребуется разработка нового оборудования, например, больших резонаторов с возможностью перестройки частоты, еще более эффективных детекторов и антенн. Такая полноценная рабочая система поможет специалистам продвинуться в «поисках» темной материи.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФИЦ ИПФ РАН — одна из ведущих российских научных организаций, с 2016 года является Федеральным исследовательским центром. Располагается в самом центре Нижнего Новгорода. Ежегодно здесь реализуется более 300 исследований, в том числе по крупным федеральным программам. У нас проводятся исследования по физике плазмы, геофизике, лазерной физике и гидроакустике, а также по рентгеновской оптике, наноматериалам, упрочняющим и ресурсосберегающим технологиям.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
11 июля, 17:47
Денис Яковлев

Международная команда ученых оценила связь между длительностью физической активности, ее интенсивностью, риском смерти от всех причин и вероятностью развития сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний.

12 июля, 09:23
Александр Березин

Исследователи разобрались с тем, что происходит в организме пластикоядных гусениц при поедании и переваривании самого распространенного пластика. Оказалось, что для их здоровья это не проходит бесследно, но, похоже, есть способ помочь и гусеницам, и осуществляемому ими процессу разрушения искусственных полимеров.

10 июля, 13:16
ФизТех

Кража лошадей была серьезной проблемой для крестьянских хозяйств в Российской империи. Особенности этого явления, включающие жестокие уголовные наказания, крестьянский самосуд и межэтнические конфликты, выявили в ходе исследования юридических источников историки из МФТИ и РЭУ имени Г.В. Плеханова.

8 июля, 09:23
Полина Меньшова

Принято считать, что люди с развитыми когнитивными способностями отличаются высокими моральными принципами. Ученые из Великобритании решили проверить этот тезис научными методами и пришли к противоположному выводу.

9 июля, 08:26
Полина Меньшова

Подобрать тип физической активности, который лучше всего подходит человеку, можно исходя из особенностей его характера. Психологи из Великобритании определили, что люди с разными чертами личности получают больше удовольствия от разных видов спорта.

9 июля, 12:05
Редакция Naked Science

В июне 2025 года ВК покинули 1,2 миллиона авторов контента. Это резкое ускорение их бегства в сравнении с предшествующими месяцами. Одновременно число авторов на других платформах растет, в результате по этому показателю соцсеть обогнал не только Telegram, но и запрещенный Instagram*. Причиной происходящего многие наблюдатели посчитали совокупность решений менеджмента компании за последние годы.

17 июня, 16:49
Адель Романова

Радиотелескопы уловили очень короткий сигнал, и по его характеристикам стало ясно, что он не может быть естественного происхождения. Астрономы пришли к выводу, что источник находился в околоземном пространстве — там, где уже более полувека летает «мертвый» аппарат NASA.

25 июня, 15:19
ФизТех

Группа российских ученых из Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН и МФТИ провела детальное численное исследование источников шума, генерируемых крылом прототипа сверхзвукового бизнес-джета в режиме посадки. Эта работа, сочетающая передовые методы вычислительной гидродинамики и аэроакустики, впервые позволила с высокой точностью локализовать и охарактеризовать основные зоны шумообразования вблизи полноразмерной геометрии крыла модели прототипа сверхзвукового пассажирского самолета в посадочной конфигурации.

2 июля, 11:17
Юлия Тарасова

Результаты эксперимента в США в будущем могут позволить добиться разрешения на использование отработанной конопли в качестве кормовой добавки в животноводстве.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Закрыть
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно