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.
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.
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.
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.
