Исследователи из Нижегородского государственного технического университета и Института физики микроструктур РАН завершили эксперименты по детектированию одиночных микроволновых фотонов в низком энергетическом диапазоне. Результаты превзошли ожидания: уровень ложных срабатываний детектора оказался значительно ниже, чем прогнозировали теоретические модели. Это открывает новые возможности для создания высокочувствительных счетчиков фотонов, что может помочь в поисках аксионов — гипотетических частиц, которые считаются кандидатами на роль темной материи.
Сегодня многие международные лаборатории, включая центр нобелевского лауреата Франка Вильчека в Стокгольме, разрабатывают детекторы для поиска аксионов. Ключевые эксперименты реализуются в рамках проектов, таких как ADMX в США, MADMAX в Германии и Швеции, QUAX в Италии, ORGAN в Австралии и IBS в Южной Корее. Для регистрации аксионов используются скриостаты, работающие при температурах менее 20 мК, и мощные сверхпроводящие магниты, создающие магнитные поля в несколько Тесла.
Согласно гипотезе, в условиях сильного магнитного поля аксионы могут преобразовываться в фотоны в диапазоне гигагерцовых частот. Успешная фиксация этого процесса станет значительным шагом к доказательству существования темной материи. Однако одним из главных вызовов в создании детекторов является стремление обеспечить максимальную чувствительность и минимальный уровень ложных срабатываний, что требует сложных решений и технологий.
В Нижегородском государственном техническом университете имени Р.Е. Алексеева был разработан счетчик фотонов, использующий джозефсоновский переход типа «сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник» (СИС) с характерной гистерезисной вольт-амперной характеристикой.
В режиме ожидания такой переход сохраняет сверхпроводящее состояние. При попадании фотона через него возникает дополнительный ток, что позволяет прибору перейти в резистивное состояние, обеспечивая надежную фиксацию факта регистрации фотона без сложных измерений коротких импульсов, как это делают другие типы счетчиков.
Ученые ранее предполагали, что аксионные фотоны будут фиксироваться с интервалом в несколько тысяч секунд. Однако в результате усовершенствования экспериментальных установок поток фотонов удалось существенно увеличить, сократив временной промежуток до сотен и даже десятков секунд. Во время эксперимента в НГТУ удалось зарегистрировать потоки фотонов с временным интервалом более 10 секунд, а в более слабых сигналах — около 100 секунд.
Принцип работы счетчика был подтвержден анализом статистики переключений детектора между нулевым и конечным напряжением. Было доказано, что данный прибор способен фиксировать одиночные фотоны с энергией 6,6 йоктоджоулей. Максимальная мощность поглощенного сигнала составила около 70 фемтоватт, что использовалось для калибровки детектора. При снижении мощности сигнала на несколько порядков устройство продолжает успешно детектировать одиночные фотоны.
Помимо поиска аксионов, данная технология имеет значительный потенциал в области квантовой электроники и сенсорных систем нового поколения. Работа ученых является частью проекта, инициированного профессором, который в 2010 году основал лабораторию в рамках мегагранта.
В лаборатории установлены современные низкотемпературные криостаты, на которых были проведены ключевые эксперименты. Проводимая научная работа вносит вклад в развитие квантовых технологий и исследований темной материи, что является актуальным и значимым для мировой науки.
