В НГТУ создали фотонный детектор, который поможет в поиске темной материи
Российские специалисты создали чувствительный детектор, который позволит ловить одиночные и парные фотоны микроволнового диапазона частот — кванты электромагнитной энергии. По словам ученых, его параметры намного превосходят показатели мировых аналогов. С помощью такого прибора физики надеются узнать больше о темной материи, которая является самой загадочной и наименее исследованной субстанцией во Вселенной.
Прототип счетчика фотонов создали сотрудники Нижегородского государственного технического университета (НГТУ им. Р. Е. Алексеева). Работы над проектом велись при поддержке Российского научного фонда. Как подчеркнул ведущий научный сотрудник лаборатории сверхпроводниковой наноэлектроники центра квантовых технологий НГТУ Андрей Панкратов, чувствительный детектор может ловить как одиночные, так и парные фотоны микроволнового диапазона.
«Ни у кого в мире детекторов с такими параметрами нет. В опубликованных нами результатах эффективность детектирования составляет несколько процентов, и мы работаем над тем, чтобы повысить эффективность до десятков процентов», — сообщил Панкратов. Энергетическое разрешение на новом приборе в четыре раза превышает показатели однофотонных детекторов инфракрасного диапазона, которые в настоящее время выпускаются в России. Последние, как правило, применяются в системах квантовой передачи информации.
Чтобы уловить фотоны, лучше всего использовать алюминиевые «джозефсоновские» контакты. Как объяснил Панкратов, фактически детектор представляет собой наноструктуру, состоящую из трех слоев. «Вы берете подложку из кремния, напыляете на нее слой алюминия. Площадь - микрон на микрон, даже меньше. Потом этот слой алюминия вы окисляете, напустив кислород, и у вас возникает туннельный барьер, тонкий окисел алюминия. А потом сверху напыляете еще один слой. Получается структура: сверхпроводник — изолятор — сверхпроводник. Это требует нанолитографии и электронно-лучевого напыления», — указал научный сотрудник.
Детектор устанавливают на самой холодной плите криостата температурой в 10 милликельвин, а источником фотонов служит обычный микроволновый синтезатор. При комнатной температуре сигнал идет внутрь криостата через коаксиальный кабель и доходит до плиты, где стоит счетчик. «Поскольку мы сигнал очень сильно ослабляем, он разваливается на поток фотонов. Достаточно энергии одного фотона, чтобы наш детектор дал "клик" с появлением конечного напряжения. Было ноль — стало 0,4 милливольта, это уже можно измерить», — подчеркнул Панкратов.
Сколько конкретно прилетело фотонов — один или два-три — ученые определяют, изменяя порог чувствительности детектора. Ожидается, что подобные счетчики помогут физикам улучшить свое понимание темной материи. Как отметил Панкратов, пока что она являет собой лишь «гипотетические частицы, которые еще никто не обнаружил».
Ранее ученые из Университетского колледжа Лондона (UCL) проанализировали данные о распределении темной и видимой материи с помощью искусственного интеллекта. По итогам исследования им удалось в два раза повысить точность оценки ряда ключевых параметров Вселенной.
