Физики снизили шум болометра в десять раз

Физики разработали новый болометр — детектор тепловой мощности излучения — с рекордными характеристиками в плане шумов и частоты считывания информации. Эквивалентная шумовая мощность оказалась на порядок ниже предыдущего рекорда, а время отклика — почти в 100 раз лучше, чем у других малошумных болометров, пишут авторы в журнале Communications Physics.

Болометры измеряют тепловую мощность падающей электромагнитный волны. Изначально в таких инструментах напрямую определялось изменение температуры, но сегодня обычно используются косвенные показатели. Например, в сверхпроводниковом болометре может измеряться электрическое сопротивление, которое резко растет даже при небольшом нагреве вблизи критической температуры. Спектр технологических применений болометров очень широк и охватывает химические сенсоры, потребительскую электронику, системы обеспечения безопасности, а также детекторы в физике частиц и астрономии.

В работе ученых из Финляндии и США под руководством Микко Мёттёнена (Mikko Möttönen) из Университета Аалто описана конструкция нового болометра на основе двойного перехода между сверхпроводником и обычным металлом. Созданный детектор обладает сразу двумя рекордными параметрами: он самый малошумный и самый быстрый среди малошумных.

Эквивалентная шумовая мощность (ЭШМ) нового прибора равна 20 зептоваттам на корень из герца. Эта характеристика показывает, какой мощности требуется измеряемый сигнал, чтобы отношение сигнала к шуму на выходе равнялось единице в полосе частот в один герц или, эквивалентно, при интегрировании в течение половины секунды. Время отклика инструмента, которое фактически определяет возможную частоту снятия показаний, составило порядка 30 микросекунд.

Болометр состоит из нанопроволоки из сплава золота и платины длиной около микрометра, двести нанометров в ширину и всего пару десятков нанометров в толщину. Эта проволока соединяется с алюминиевыми контактами, которые при низких рабочих температурах устройства находятся в сверхпроводящем режиме. Протекание тепла через прибор повышает электронную температуру в проволоке, что, в свою очередь, повышает индуктивность всей схемы. В результате меняется частота содержащего детектор колебательного контура, которая и измеряется непосредственно.

Авторы отмечают, что достигнутые параметры уже востребованы в ряде приложений. В частности, экстремально малые энергии необходимо регистрировать при поиске частиц темной материи некоторых видов. Например, в эксперименте ADMX (Axion Dark Matter Experiment) ожидается мощность сигнала на уровне 10⁻²² ватта, что в случае использования предыдущего рекордсмена по малошумности с ЭШМ около 300 зВт/Гц^1/2 потребует времени накопления порядка тысячи часов для достижения отношения сигнала к шуму в единицу.

Ученые также предполагают, что разработка может пригодиться в области квантовых компьютеров, причем как для поддержания необходимых условий работы (обычно это сверхнизкие температуры), так и для считывания информации с кубитов. Однако в последнем случае болометр необходимо ускорить еще примерно в сто раз. По оценкам исследователей прибор может работать в режиме счета фотонов со скоростью до 100 штук в секунду на частоте в 1,3 терагерца от теплового источника сигнала с температурой в 3 кельвина.

Недавно физики впервые смогли определить источник фотонов с энергией выше 100 тераэлектронвольт. Также в этом году ученые предложили схему универсального алмазного детектора темной материи.

Тимур Кешелава