Чтобы разглядеть тень чёрной дыры или услышать шёпот рождающейся звезды, нужен не просто мощный телескоп. Нужен идеально чистый сигнал — эталонная нота, с которой можно сравнить космический шёпот. Группа российских физиков нашла способ создать такой сигнал, и их открытие может стать ключом к разгадке главных тайн Вселенной.
Сумеречная зона
Между радиоволнами и инфракрасным светом прячется терагерцовый диапазон — полоса частот, в которой космос говорит особенно тихо, но особенно важно. Именно здесь излучают самые холодные объекты, зарождаются звёзды и скрываются следы первичного вещества Вселенной. Уловить этот шёпот невероятно сложно: атмосфера Земли его поглощает, а приборы, работающие на других частотах, здесь бессильны.
Чтобы поймать терагерцовый сигнал, астрономы используют хитрый приём — гетеродинные приёмники. Они работают как радиоприёмник в машине: слабый космический сигнал смешивают с мощным эталонным, созданным прямо на месте. Разница частот даёт информацию, которую уже можно обработать. Вся хитрость — в эталонном сигнале. Если он нестабилен, если в нём есть лишний шум, уникальные данные из глубин космоса будут потеряны навсегда.
Проблема в том, что компактных, надёжных и при этом сверхчистых генераторов терагерцового излучения до сих пор не существовало. До сегодняшнего дня.
600 контактов в унисон
Группа российских учёных из Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и Московского физико-технического института (МФТИ) сформулировали, создали и расписали решение, которое позже опубликовали в Beilstein Journal of Nanotechnology.
В основе их разработки — технология сверхпроводимости. Ключевой элемент — джозефсоновский контакт: два сверхпроводника, разделённые тончайшим слоем изолятора. Если приложить к такому контакту напряжение, через него начинают туннелировать электроны, и контакт превращается в миниатюрный генератор высокочастотного излучения.
Но есть нюанс: мощность одного контакта ничтожна. Российские физики пошли другим путём: они объединили усилия. Вместо того чтобы пытаться выжать максимум из одного элемента, они создали цепочки — массивы из сотен джозефсоновских переходов.
— Нам удалось заставить синхронизироваться до 600 джозефсоновских контактов, — комментирует Фёдор Хан, научный сотрудник ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН и ассистент кафедры общей физики МФТИ. — Мы продемонстрировали, что благодаря предложенной топологии система может перестраиваться в широком диапазоне частот — от 100 до 700 гигагерц, что перекрывает несколько окон прозрачности атмосферы для астрономических наблюдений. Более того, мы впервые реализовали режим фазовой синхронизации для массива джозефсоновских переходов. Генератор жестко привязывается к эталонному источнику, обеспечивая спектральную чистоту сигнала с эффективностью выше 90%.
Простыми словами: сотни крошечных генераторов научились работать как единый оркестр, выдавая идеально чистую ноту без лишних шумов.
От 100 до 700 гигагерц
Эксперименты проводились при сверхнизких температурах — около 4 кельвинов, близких к абсолютному нулю. Именно в таких условиях сверхпроводимость проявляет себя в полную силу.
Учёные обнаружили интересную закономерность: чтобы достичь высоких частот (более 500 гигагерц), критически важна плотность тока через контакты. Увеличив этот параметр, исследователи смогли преодолеть барьер, с которым сталкивались раньше. При этом они использовали хорошо отработанную ниобиевую технологию — стандарт в производстве сверхпроводниковой электроники. Это значит, что чипы можно выпускать серийно, без экзотических материалов и сложных настроек.
Особенность разработки — её интегральность. Генератор расположен на том же чипе, что и смеситель (самый чувствительный элемент приёмника). Это резко снижает потери сигнала при передаче. А специальная согласованная нагрузка гасит лишние колебания, устраняя «мёртвые зоны», где генерация может срываться.
Куда применить?
Практическое значение этого прорыва трудно переоценить. Подобные генераторы станут сердцем приёмников для космической обсерватории «Миллиметрон» — одного из самых амбициозных проектов российской астрофизики. «Миллиметрон» будет изучать структуру Вселенной, чёрные дыры и реликтовое излучение с беспрецедентной точностью.
Кроме того, чипы необходимы для наземных массивов телескопов типа ALMA (Чили) и Event Horizon Telescope — той самой сети, которая впервые в истории сфотографировала тень чёрной дыры в галактике М87.
Но не только астрофизика ждёт этих разработок. Компактные источники терагерцового излучения нужны в системах безопасности (например, в сканерах аэропортов), в медицинской диагностике (они позволяют видеть ткани на молекулярном уровне) и в экологическом мониторинге атмосферы.
Технологическая повестка: от лаборатории до космоса
Такие разработки — не просто научная победа. Это пример того, как фундаментальная физика превращается в реальные технологии. Но чтобы подобные проекты появлялись регулярно и доходили до практического применения, нужна системная поддержка на государственном уровне. Именно об этом шла речь на первом установочном заседании Совета по инновационному и технологическому развитию партии «Единая Россия».
Как подчеркнул секретарь Генсовета партии Владимир Якушев, необходимы конкретные предложения, которые можно превратить в законы и программы, с чёткими адресатами и горизонтами реализации. Секретарь Совета Илья Медведев добавил, что задача — сформировать долгосрочное видение технологического развития страны до 2050 года.
Приоритетами работы Совета стали искусственный интеллект, робототехника, биотехнологии, новые материалы, энергетика нового поколения, беспилотные системы, космос и связь. Именно эти направления будут определять технологический суверенитет страны на десятилетия вперёд.
Председатель Совета, генеральный директор Госкорпорации «Роскосмос» Дмитрий Баканов, отметил, что собранные идеи должны превратиться в конкретные решения для обеспечения технологической независимости России. Статс-секретарь — замминистра промышленности и торговли РФ Роман Чекушов подтвердил готовность ведомства к совместной работе и координации с экспертным сообществом. А значит, такие прорывы, как создание терагерцового чипа, получат зелёный свет — от лабораторного прототипа до серийного производства и космических миссий.
Что дальше?
В ближайших планах научного коллектива из ИРЭ и МФТИ — усовершенствовать топологию схем, чтобы повысить рабочую частоту и мощность излучения. Следующий шаг: создание полнофункционального интегрального приёмника, где новый генератор будет работать в паре с детектором. Это откроет дорогу к приборам, способным различать не только отдельные молекулы в атмосферах далёких планет, но и, возможно, первые следы внеземной жизни.
А вы верите, что человечество сможет «услышать» Вселенную настолько чётко, чтобы разобрать её главные тайны? Или чёрные дыры так и останутся немыми? Делитесь мнениями в комментариях!
Читайте также: