Темная материя – одна из величайших загадок современной науки. Мы знаем, что она существует и составляет около 27% Вселенной, но до сих пор не можем ее обнаружить. Ученые НГТУ им. Р.Е. Алексеева и Института физики микроструктур РАН сделали важный шаг к ее поиску, создав уникальный детектор, способный улавливать то, что раньше считалось невозможным.
Йоктоджоулевая чувствительность: что это значит?
Нижегородские физики разработали и испытали прототип счетчика, способного обнаруживать одиночные микроволновые фотоны вплоть до йоктоджоулевого диапазона энергий. Для понимания масштаба: префикс "йокто" означает одну септильонную долю (10^-24) – это невообразимо малая величина!
Главное достижение ученых – скорость ложных срабатываний детектора оказалась намного ниже, чем предсказывали существующие теории. Это открывает интригующие перспективы для поиска аксионов – гипотетических частиц, которые считаются одним из основных кандидатов на роль темной материи.
Международная гонка за темной материей
Поиском аксионов занимаются ведущие лаборатории мира, включая лабораторию нобелевского лауреата Франка Вильчека в Стокгольме. Крупнейшие эксперименты проводятся в рамках проектов:
- ADMX (США)
- MADMAX (Германия/Швеция)
- QUAX (Италия)
- ORGAN (Австралия)
- IBS (Южная Корея)
Все эти проекты сталкиваются с одной фундаментальной проблемой – как обнаружить то, что почти невозможно заметить?
Как охотятся за аксионами?
Для поиска аксионов ученые используют:
- Криостаты растворения с температурой менее 20 милликельвинов (почти абсолютный ноль), чтобы минимизировать возникновение тепловых фотонов
- Сверхпроводящие магниты с полями в несколько Тесла
- Закрытые резонаторы, в которых аксионы должны преобразовываться в фотоны гигагерцевого диапазона
Ключевая идея метода: в сильных магнитных полях аксионы, проникающие в закрытый резонатор, преобразуются в фотоны ГГц-диапазона за счет обратного эффекта Примакова. Поток этих фотонов должен превышать тепловой фон при заданной низкой температуре.
Включая и выключая магнитное поле, ученые могут проверить, изменяется ли поток фотонов, тем самым подтверждая их происхождение от аксионов.
Противоречивые требования к детектору
Джозефсоновские параметрические усилители, которые обычно используются для регистрации слабых сигналов, имеют ограничение – стандартный квантовый предел на уровне, эквивалентном температуре в сотни милликельвинов. Это делает их недостаточно чувствительными для данной задачи.
Поэтому требуется новый класс однофотонных микроволновых детекторов, перед которыми стоят два противоречащих требования:
- Предельная чувствительность – вплоть до энергии одного микроволнового фотона йоктоджоулевого диапазона
- Крайне низкая скорость темнового счета (ложных срабатываний), поскольку регистрируемые события очень редки
Как работает нижегородский детектор?
Для создания микроволнового счетчика одиночных фотонов нижегородские ученые использовали джозефсоновский переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) с гистерезисной вольт-амперной характеристикой.
Принцип работы:
- В режиме ожидания ток через СИС-переход немного меньше критического
- Переход находится в сверхпроводящем состоянии с нулевым напряжением
- Поглощение фотона вызывает увеличение тока через переход
- Если ток превышает критическое значение, переход переключается в резистивное состояние
- Появляется напряжение порядка 0,4 милливольта, что фиксируется как регистрация фотона
- Переход остается в состоянии ненулевого напряжения, пока ток не будет обнулен
Этот тип счетчика называется пороговым детектором и не требует оборудования для измерения предельно коротких импульсов.
Неожиданные результаты
Нижегородские ученые разработали, изготовили и испытали прототип на основе алюминиевого СИС-перехода. Результаты, опубликованные в престижном журнале npj Quantum Information, оказались поразительными:
- Достигнутые скорости темнового счета оказались намного ниже, чем предсказывали существующие теории
- СИС-переход работал в режиме фазовой диффузии, что объясняет этот эффект
- Получены убедительные экспериментальные доказательства переключения СИС-перехода в резистивное состояние при поглощении нескольких фотонов
Исследователи смогли продемонстрировать:
- Детектирование энергии пяти фотонов на частоте 10 ГГц со временем темнового счета более 10 секунд и эффективностью, близкой к единице
- Регистрацию одиночных фотонов с энергией 6,6 йоктоджоулей с эффективностью 2% при времени темнового счета около 0,01 секунды
Научный прорыв благодаря инициативе профессора Кузьмина
Это направление работы было инициировано профессором Чалмерского университета Леонидом Сергеевичем Кузьминым, который, к большому сожалению, скончался за несколько недель до публикации статьи.
В 2010 году профессор Кузьмин организовал новую лабораторию в Нижегородском государственном техническом университете в рамках мегагранта. Эта лаборатория оборудована низкотемпературными сухими криостатами, где было выполнено большинство измерений.
Интересный факт: профессор Кузьмин предложил выполнить детальные измерения времени темнового счета образцов с гораздо меньшими критическими токами, чем планировалось – порядка десятков наноампер. По оценкам существующих теорий, время темнового счета должно было быть очень низким, порядка наносекунд.
Авторы работы были весьма удивлены, когда достигли времени в десятки секунд, а после улучшения фильтрации – даже тысячи секунд. Эти неожиданные результаты привели к последующим успешным тестам по обнаружению фотонов.
Перспективы применения
Помимо поиска аксионов и разгадки тайны темной материи, разработка однофотонного счетчика для гигагерцевого диапазона частот востребована в квантовых технологиях – одной из самых перспективных областей современной науки.
Исследование поддержано Российским научным фондом (РНФ) и демонстрирует высокий потенциал отечественной науки в области квантовой физики и поиске ответов на фундаментальные вопросы о строении Вселенной.
#темнаяматерия #аксионы #квантоваяфизика #нижегородскиеученые #НГТУ #ИФМРАН #однофотонныйдетектор #сверхпроводники #йоктоджоули #СИСпереход #квантовыетехнологии #джозефсоновскийпереход #фундаментальнаянаука #РНФ #криостат #ФранкВильчек #эффектПримакова #квантовыйпредел #микроволновыефотоны #российскаянаука