Новый рубеж квантовой детекции в Нижнем Новгороде
Впервые в российской истории в лабораториях Нижнего Новгорода был создан уникальный сверхчувствительный детектор, способный фиксировать одиночные фотоны микроволнового диапазона на частотах от 9 до 14 ГГц с эффективностью до 45%, поддерживая минимальный уровень ложных срабатываний — не более 0,1 раза в секунду. Этот важный технологический скачок стал возможен благодаря усилиям коллектива физиков Центра квантовых технологий, функционирующего на базе Института физики микроструктур РАН в НГТУ им. Р.Е. Алексеева под руководством Андрея Леонидовича Панкратова. Ключевая особенность детектора — использование алюминиевых джозефсоновских контактов с рекордно малой площадью, что позволило перевести устройство в режим фазовой диффузии, существенно снизив возможность ложных срабатываний.
Конструкция и принципы работы уникального детектора
Разработанный прототип представляет собой структуру из двух алюминиевых сверхпроводящих пластин, разделённых тонким туннельным барьером. Это позволяет джозефсоновскому контакту при охлаждении до экстремально низких температур демонстрировать нелинейную гистерезисную вольт-амперную характеристику. Критический ток определяет переход между сверхпроводящим состоянием с нулевым напряжением и состоянием с конечным напряжением. Источником микроволновых фотонов являлся специальный резонатор, температуру которого инженеры могли плавно изменять. Для этого использовался традиционный нагревательный резистор, а поддержание точности температурного режима обеспечивалось с помощью квантового сенсора — шумового СКВИД-термометра.
Эксперимент показал, что увеличение температуры резонатора с 20 мК до 80 мК приводит к росту числа возникающих тепловых фотонов с одного в тысячу секунд до тысячи в секунду. Данные результаты отлично укладываются в формулу Планка и демонстрируют высокую чувствительность детектора к тепловому излучению. Поглощение фотона приводит к быстрому переключению джозефсоновского контакта из сверхпроводящего состояния в состояние с фиксированным напряжением, что и фиксируется как срабатывание детектора.
Первая экспериментальная фиксация тепловых микроволновых фотонов
Особенно значимым результатом стала экспериментальная регистрация и статистический анализ потоков одиночных фотонов, обладающих тепловой природой. Впервые группа нижегородских исследователей продемонстрировала, что с помощью супер-Пуассоновской статистики можно количественно описывать процесс случайного появления тепловых фотонов в резонаторе. Манипулируя температурой резонатора, исследователи научились управлять степенью супер-Пуассоновости, что подтверждает универсальность и гибкость подхода.
Внедрение режима фазовой диффузии позволило специалистам ИПФ РАН и НГТУ им. Р.Е. Алексеева существенно расширить температурный диапазон работы устройства — до 40 раз, с 17 до 700 милликельвин, при сохранении высокой эффективности обнаружения фотонов. Это открывает путь к созданию компактных и надёжных квантовых сенсоров для фундаментальных и прикладных задач современной физики.
Потенциал для исследований тёмной материи и новых физик
Детектор одиночных микроволновых фотонов обладает фантастическим энергетическим разрешением на уровне 10 йоктожоулей (10^-24 Дж), что делает его кандидатом для экспериментов по поиску аксионов — гипотетических элементарных частиц, относящихся к темной материи. Благодаря столь высокой чувствительности, перспективы использования новой технологии охватывают широкий спектр передовых исследований, включая эксперименты с квантовыми состояниями поля, высокоточные измерения и создание устройств для управления фотонными потоками в квантовой электронике.
Междисциплинарная команда и поддержка научных фондов
Фундаментальный успех инновационного проекта обеспечила слаженная работа научного коллектива, включающего, кроме А.Л. Панкратова, Л.С. Ревина и А.В. Чигинева (ИПФ РАН), также А.В. Гордееву, Д.А. Ладейнова и А.В. Благодаткина (НГТУ им. Р.Е. Алексеева). Финансирование ключевых этапов работы осуществлялось в рамках поддержки грантом Российского научного фонда (№ 19-79-10170). Наличие сильных научных школ и современных лабораторий позволило двигаться к серьёзным результатам мирового уровня, а сотрудничество между ИПФ РАН и инженерной школой НГТУ им. Р.Е. Алексеева открыло доступ к уникальной исследовательской инфраструктуре.
Вдохновляющий шаг к квантовой электронике будущего
Появление сверхчувствительного детектора на основе джозефсоновских контактов подтверждает возрастающую роль российских учёных в международном исследовательском сообществе. Всё больше задач квантовой электроники, спектроскопии, квантовой метрологии, а также фундаментальных исследований тёмной материи становится реальностью благодаря инновациям, рождённым в отечественных лабораториях. Прорывные результаты группы Андрея Леонидовича Панкратова и команды ИПФ РАН, НГТУ им. Р.Е. Алексеева — убедительное доказательство потенциала и созидательного духа современных российских научных коллективов, работающих на стыке физики, инженерии и квантовых технологий.
Данное достижение служит мощным стимулом для новых поколений исследователей и демонстрирует, что отечественная наука способна уверенно конкурировать и формировать современный облик квантовой физики и технологий на мировом уровне.
Коллектив проекта: А.Л. Панкратов, Л.С. Ревин, А.В. Чигинев (Институт физики микроструктур РАН), А.В. Гордеева, Д.А. Ладейнов, А.В. Благодаткин (НГТУ им. Р.Е. Алексеева)
Изображения предоставлены пресс-службой ИПФ РАН
Источник иллюстраций: пресс-служба ИФМ РАН
Источник: scientificrussia.ru
