Фото: управление информационной политики НГТУ Алексеева
Ученые НГТУ имени Алексеева совместно с коллегами из Института физики микроструктур РАН изобрели уникальный детектор, способный улавливать одиночные микроволновые фотоны. Результаты этих исследований были опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications. Такие детекторы могут быть использованы для обнаружения темной материи. На сегодняшний день темная материя считается одной из главных загадок современной науки. Почти треть Вселенной состоит из темной материи, однако ученые пока не смогли ее обнаружить. Одним из основных кандидатов на роль темной материи являются аксионы — легкие частицы, которые слабо взаимодействуют с обычным веществом и могут превращаться в фотоны в сильном магнитном поле. Теоретические модели предсказывают возможное существование аксионов в широком частотном диапазоне. Сейчас наиболее вероятная область их обнаружения — между 10 и 200 ГГц. Раньше ученые не могли искать аксионы в этом диапазоне — не было подходящих приборов: линейные усилители ограничены квантовым пределом, а требуется более высокая чувствительность.
Фото: управление информационной политики НГТУ Алексеева
Все началось в 2010-м году, когда в рамках мегагранта в НГТУ имени Алексеева открыл новую лабораторию профессор Чалмерского университета Леонид Кузьмин. Оснащенная по последнему слову техники эта лаборатория была оборудована низкотемпературными сухими криостатами, где и проводилось большинство измерений. В ходе исследований ученым удалось провести успешные тесты по детектированию фотонов. В качестве источника фотонов использовался объемный медный резонатор с изменяемой температурой. При нагреве резонатора в диапазоне температур от 20 до 80 мК, экспоненциально сильно меняется поток тепловых фотонов в диапазоне от 1 фотона за 1000 секунд до нескольких тысяч фотонов в секунду, что детектируется сенсором. Такой подход обеспечивает сверхнизкую скорость темнового счета 0,1 Гц, общую эффективность детектирования около 45% и ожидаемую рабочую полосу детектора порядка 1 ГГц.
- Созданный нижегородскими физиками прототип детектора позволяет обнаруживать одиночные микроволновые фотоны, имеющие очень малую энергию – около 10 йоктоджоулей, – рассказали в НГТУ имени Алексеева. – При этом скорость ложных срабатываний детектора оказалась намного ниже, чем предсказывали существующие теории. Мы считаем, что в дальнейшем это позволит обнаружить аксионы – гипотетические частицы, которые могут являться той самой темной материей.
Фото: управление информационной политики НГТУ Алексеева
Сейчас поисками темной материи занимаются ведущие лаборатории США, Германии, Италии, Южной Кореи и Австралии. Участвует в международной гонке и лаборатория нобелевского лауреата Франка Вильчека в Стокгольме. Нижегородские физики создали инструмент, способный значительно ускорить эти эксперименты, и начать подобные исследования в России.
- Для создания микроволнового детектора одиночных фотонов ученые НГТУ использовали джозефсоновский переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник с гистерезисной вольт-амперной характеристикой, – рассказывают специалисты. – Этот тип сенсора называется пороговым детектором и не требует оборудования для измерения предельно коротких импульсов.
- Это изобретение стало настоящим прорывом в научном мире. Во-первых, появление детектора открывает новые перспективы в поисках аксионов, что приближает нас к разгадке тайны темной материи, – рассказывают в НГТУ имени Алексеева. – А во-вторых, однофотонный детектор для гигагерцевого диапазона частот будет востребован в квантовых технологиях, которые считаются одним из самых перспективных направлений современной науки.