• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
1 июля
НГТУ
1 441

В НГТУ сделали шаг к созданию счетчика одиночных фотонов для поиска частиц темной материи

4.8

Ученые НГТУ и ИФМ РАН провели исследования по обнаружению одиночных микроволновых фотонов вплоть до йоктоджоулевого диапазона. Достигнутые скорости ложных срабатываний детектора оказались намного ниже, чем ожидалось из существовавших ранее теорий. Эти результаты демонстрируют интригующие перспективы реализации счетчика одиночных фотонов для поиска аксионов — предполагаемых частиц темной материи.

В НГТУ сделали шаг к созданию счетчика одиночных фотонов для поиска частиц темной материи / ©Getty images

Сегодня несколько лабораторий мира, в том числе лаборатория лауреата Нобелевской премии Франка Вильчека в Стокгольме, разрабатывают экспериментальные установки для обнаружения аксионов, одного из основных кандидатов на роль частиц темной материи. Работы ведутся в рамках проектов ADMX, США; MADMAX, Германия/Швеция; QUAX, Италия; ORGAN, Австралия; IBS, Южная Корея и других.

Для обнаружения аксионов предлагается использовать криостаты растворения при рабочей температуре менее 20 мК, так как при такой температуре темп возникновения тепловых фотонов крайне низок. Криостаты будут оснащены сверхпроводящими магнитами с полями в несколько Тесла, так как считается, что в сильных магнитных полях за счет обратного эффекта Примакова аксионы, проникающие в закрытый резонатор, будут преобразовываться в фотоны ГГц диапазона частот и, таким образом, будут генерировать поток фотонов из резонатора, который намного превышает тепловой фон при заданной низкой температуре.

Профессор Леонид Кузьмин / ©Пресс-служба НГТУ

Включая и выключая магнитное поле, можно убедиться, что поток фотонов изменяется, и, таким образом, убедиться, что фотоны генерируются в присутствии магнитного поля, предполагая, что они происходят от аксионов. Джозефсоновские параметрические усилители, которые планируется использовать для регистрации таких слабых сигналов (по существу, редких потоков фотонов), ограничены стандартным квантовым пределом на уровне, эквивалентном температуре в сотни милликельвинов.

Таким образом, проблема обнаружения аксионов требует нового класса однофотонных микроволновых детекторов, перед которыми стоят два противоречащих друг другу требования. С одной стороны, нужна предельная чувствительность, вплоть до энергии одного микроволнового фотона йоктоджоулевого диапазона. С другой стороны, поскольку предполагается, что регистрируемые события редки, скорость темнового счета (то есть темп ложных срабатываний) детектора должна быть чрезвычайно низкой.

Несколько лет назад считалось, что преобразованные из аксионов фотоны будут генерироваться со средним интервалом в несколько тысяч секунд. Однако сегодня предлагаются модификации экспериментальных установок, значительно увеличивающие поток фотонов и позволяющие генерировать фотоны со средним интервалом в сотни и даже десятки секунд.

Для создания микроволнового счетчика одиночных фотонов предлагается использовать джозефсоновский переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) с гистерезисной (из-за малого затухания) вольт-амперной характеристикой. В режиме ожидания ток через СИС переход несколько меньше критического. Тогда переход находится в сверхпроводящем состоянии и имеет нулевое напряжение. Поглощение фотона вызывает увеличение тока через переход. Если ток превышает критическое значение, то переход переключается в резистивное состояние, давая напряжение порядка 0,4 мВ.

Качественный вид вольт-амперной характеристики гистерезисного джозефсоновского перехода / ©Пресс-служба НГТУ

Появление конечного напряжения означает факт регистрации фотона. После переключения переход не может самостоятельно вернуться в сверхпроводящее состояние и остается в состоянии ненулевого напряжения до тех пор, пока ток не будет обнулен. Такой тип счетчика фотонов называется пороговым детектором и не требует оборудования для измерения предельно коротких импульсов, как для других типов счетчиков. Ранее наша группа предлагала использовать алюминиевые СИС-переходы (широко применяемые для сверхпроводящих кубитов) для этого типа счетчика фотонов, так как по расчетам это приводило к гораздо меньшим скоростям темнового счета по сравнению с ниобиевыми аналогами.

В текущей статье, опубликованной в журнале npj Quantum Information, разработан, изготовлен и изучен прототип счетчика одиночных фотонов на основе алюминиевого СИС-перехода. Достигнутые скорости темнового счета оказались намного ниже, чем ожидалось из существовавших ранее теорий, по причине работы СИС-перехода в режиме фазовой диффузии. В результате получены убедительные экспериментальные доказательства переключения СИС-перехода в резистивное состояние, инициируемого поглощением нескольких фотонов при значительно ослабленном сигнале синтезатора с частотой 10 ГГц.

В этом случае гармонический сигнал представляет собой поток фотонов, подчиняющийся распределению Пуассона. Получена статистика переключений и показано, что наклоны вероятности переключения соответствуют регистрации 1, 2, 3, 4 и 5 фотонов. Было продемонстрировано детектирование энергии пяти фотонов на частоте 10 ГГц со временем темнового счета более 10 с и эффективностью, близкой к единице.

В то время как регистрация одиночных фотонов, соответствующих энергии 6,6 йоктоджоулей, имеет довольно низкую эффективность — два процента при времени темнового счета около 0,01 секунд. Максимальная мощность поглощенного сигнала около 70 фВт оценивается с помощью квазичастичных ступеней на обратной ветви вольт-амперной характеристики по теории Тьен-Гордона. Затем мощность ослабляется на один-два порядка с помощью внешнего аттенюатора, что дает редкий поток фотонов относительно времени переключения счетчика. Кроме задачи по обнаружению аксионов, разработка однофотонного счетчика для рассматриваемого гигагерцевого диапазона частот востребована в приложении к квантовым технологиям.

Это направление работы было инициировано профессором Чалмерского университета Леонидом Сергеевичем Кузьминым, который, к большому сожалению, скончался за несколько недель до публикации этой статьи. Профессор Л.С. Кузьмин в 2010 г. организовал новую лабораторию в Нижегородском государственном техническом университете в рамках мегагранта. Эта лаборатория оборудована низкотемпературными сухими криостатами, на которых было выполнено большинство измерений данной работы.

©www.nature.com

История, стоящая за статьей, заключается в том, что профессор Леонид Кузьмин предложил выполнить детальные измерения времени темнового счета образцов с гораздо меньшими критическими токами, чем планировалось — порядка десятков нА. Как ожидалось по оценкам существующих теорий, время темнового счета будет очень низким, порядка наносекунд. Авторы работы были весьма удивлены, когда были достигнуты времена в десятки секунд, а после улучшения фильтрации — даже тысячи секунд, как показано на вставках вышеприведенного рисунка. После этого были проведены тесты по обнаружению фотонов, которые также описаны в исследовании. Работа поддержана РНФ.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Нижегородский государственный технический университет имени Р. Е. Алексеева — опорный вуз Нижегородской области, интегратор системы «образование-наука-промышленность». Он ведет свою историю с Варшавского политехнического института Императора Николая II, переезд которого в Нижний Новгород состоялся в октябре 1916 г. Одна из главных целей вуза — повышение качества инженерного образования; разработка и реализация новых образовательных программ бакалавриата, магистратуры, аспирантуры, дополнительного профессионального образования. НГТУ развивает классические и инновационные научно-образовательные направления, такие как цифровые интеллектуальные производственные технологии, экологически чистая и ресурсосберегающая энергетика, развитие национальной транспортной инфраструктуры, новые материалы и технологии конструирования, микро- и наноэлектроника.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 14:02
Иван Лавренов

Некоторые пульсары покидают остатки сверхновых со скоростями более тысячи километров в секунду. Согласно новому исследованию, такую скорость им может придавать весьма необычное явление - мощное направленное нейтринное циклотронное излучение.

Позавчера, 14:54
Сергей Васильев

Крошечные маячки помогли ученым следовать за мигрирующими насекомыми в небольшом самолете, показав, что те уверенно ориентируются в пространстве, перелетая на тысячи километров.

Вчера, 15:23
Анна Новиковская

Со школьной скамьи мы знаем, что для того, чтобы зародилась жизнь, требуются два вида клеток — яйцеклетка от матери и сперматозоид от отца. Теперь, похоже, от этой давней догмы придется отказаться: группе израильских ученых удалось получить эмбрион мыши из стволовых клеток.

Вчера, 14:02
Иван Лавренов

Некоторые пульсары покидают остатки сверхновых со скоростями более тысячи километров в секунду. Согласно новому исследованию, такую скорость им может придавать весьма необычное явление - мощное направленное нейтринное циклотронное излучение.

12 августа
Василий Парфенов

В конце июля многие СМИ опубликовали новости с заголовками вида «Земля стала вращаться быстрее — и ученые не знают почему». К концу первой недели августа тема добралась и до русскоязычного сегмента Сети. На поверку этот инфоповод пусть и без негативных последствий, но демонстрирует основные пороки современной (не только научно-популярной) журналистики. Рассказываем, как в действительности изменяется скорость вращения нашей планеты, насколько хорошо известны причины таких осцилляций, а также почему ученые никогда ничего не знают наверняка (и это нормально).

12 августа
Ольга Иванова

Исследование американских нейробиологов на грызунах показало, что повышенный уровень тестостерона способствует не только агрессивному, но и просоциальному поведению.

2 августа
Александр Березин

Если западным странам удастся «лишить Кремль нефтяных доходов», то мир ждет геополитическое землетрясение. Только не обязательно в ту сторону, о которой вы сейчас подумали. На фоне того, что последует за «лишением», шок 1973 года может показаться детской игрой. Naked Science попробует оценить размах «потолочного катаклизма» заранее.

31 июля
Александр Березин

Саудовский принц одобрил строительство гигантского «лежачего небоскреба», который должен стать крупнейшим зданием в истории. Причем еще и самым экологичным в мире. Пресса и соцсети полны возмущенных оценок: «это антиутопия!», «проект сырой!» и тому подобным. Однако чисто технически это не так: «Зеркальную линию» на пять миллионов жителей вполне можно построить. И такое здание в самом деле будет энергоэффективным (и формально безуглеродным). Но у проекта есть другие слабые места, лежащие скорее в сфере науки, нежели техники. Naked Science попробовал разобраться в деталях.

27 июля
Алиса Гаджиева

Новое исследование показало, что появившаяся у человека способность переваривать молочный сахар никак не сказалась на распространенности потребления продуктов молочного животноводства.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
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
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
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: