Физики порадовали астрономов улучшенным детектором одиночных фотонов инфракрасного диапазона

Физики разработали детектор одиночных фотонов инфракрасного диапазона на основе кинетической индукции в сверхпроводниках и предложили использовать его для астрономических исследований. Эффективность устройства составила 46 процентов, а время отклика оказалось порядка десятых долей миллисекунды. Принцип работы детектора и его основные характеристики исследователи описали в статье для журнала Physical Review X.

Диапазон тепловых инфракрасных и миллиметровых волн длиной 5–2000 микрометров обладает большими перспективами с точки зрения научных открытий — например, можно заподозрить наличие экзогиганта у белого карлика или увидеть признаки вулканизма на суперземле. Именно поэтому физики непрерывно создают и совершенствуют детекторы излучения в этой области спектра, а работать есть над чем: астрофизика дальнего инфракрасного диапазона или космология миллиметровых волн требуют исключительной чувствительности, чтобы соответствовать естественному космическому фону и учитывать высокий динамический диапазон самых разных источников.

При этом однофотонные инфракрасные детекторы все еще далеки от совершенства. Они либо не охватывают всю нужную область спектра, либо обладают крайне низкой чувствительностью (то есть не всегда способны зарегистрировать одиночный фотон), либо не соответствуют требуемому динамическому диапазону (логарифм отношения максимальной и минимальной возможной мощности фиксируемого излучения).

Физики из Нидерландов и США под руководством Питера Дэя (Peter Day) из Калифорнийского технологического института разработали детектор инфракрасного излучения, который работает на длине волны 25 микрометров и может принимать как одиночные фотоны, так и их непрерывный поток.

В основу детектора лег принцип кинетической индукции: когда фотон поглощается сверхпроводником, в последнем происходит разрыв куперовской пары и уменьшение их общей концентрации, которая обратно пропорциональна кинетической индуктивности. То есть, чем меньше куперовских пар осталось в сверхпроводнике, тем выше оказывается вклад в энергию электрического тока за счет кинетической энергии носителей. Чтобы применить принцип кинетической индукции, исследователи изготовили единичный пиксель детектора из собирающей микролинзы и алюминиевой пленки толщиной 40 нанометров, которая выступила в роли поглотителя энергии, находясь в сверхпроводящем режиме. Всего физики создали 44 таких пикселя, которые разместили на гексагональной решетке с шагом 900 микрометров.

Ученые провели несколько экспериментов при температуре 150 милликельвин и изучили характеристики созданного устройства. В итоге эффективность детектора оказалась равна 46 процентам, иначе говоря, детектор регистрировал примерно каждый второй фотон из тех, что достигли его поверхности. Время отклика (промежуток времени между поглощением фотона и сигналом о его регистрации) составило порядка 0,2 миллисекунды, что по мнению физиков, вполне подходит для астрономических исследований. При этом в режиме регистрации непрерывного потока излучения детектор стабильно работал на протяжении почти одного часа.

Исследователи подчеркнули универсальность созданного ими устройства и предположили, что это позволит использовать детектор в широком диапазоне входной мощности для открытий в области астрофизики и космологии.

О том, как физики создали широкий сверхпроводящий детектор одиночных фотонов с эффективностью 78 процентов, мы писали ранее.