В Нижнем Новгороде впервые осуществлено детектирование отдельных фотонов в диапазоне частот от 10 до 14 ГГц с эффективностью до 45% и частотой ложных срабатываний 0,1 Гц. Это стало возможным благодаря сверхчувствительному детектору фотонов микроволнового диапазона, созданному на основе алюминиевых джозефсоновских контактов. Экспериментально подтверждена также тепловая природа детектируемых фотонов. Детектор, разработанный группой физиков Центра квантовых технологий – базового центра Института физики микроструктур РАН в НГТУ им. Р.Е. Алексеева под руководством доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника Андрея Леонидовича Панкратова, состоит из структуры, напоминающей «слойку», образованную двумя алюминиевыми сверхпроводниками с туннельным барьером между ними. В отличие от исследований, проведенных нобелевскими лауреатами в области физики в 2025 году, для изучения квантовых эффектов нижегородские ученые выбрали джозефсоновский контакт значительно меньшей площади, что позволило перейти в режим фазовой диффузии для снижения вероятности ошибочных срабатываний.
При низких температурах данный детектор демонстрирует сложную нелинейную гистерезисную зависимость вольт-амперной характеристики: увеличение тока приводит к переходу на конечное напряжение при достижении определенного уровня, который называют критическим током, а возвращение к нулевому напряжению происходит при практически полном обнулении тока. В качестве источника терагерцовых фотонов был использован резонатор с регулируемой температурой. Для нагрева резонатора применялся стандартный резистор, а контроль температуры осуществлялся с использованием квантового сенсора – шумового СКВИД-термометра. Таким образом, экспериментально доказано, что при повышении температуры резонатора от 20 до 80 мК интенсивность тепловых фотонов, спонтанно генерируемых в резонаторе, изменяется приблизительно от 1 события в 1000 секунд до 1000 событий в секунду и соответствует формуле Планка. Джозефсоновский контакт, изначально находясь в сверхпроводящем состоянии с нулевым напряжением, после воздействия фотона переходил в состояние с конечным напряжением.
Впервые в мире нижегородские ученые провели эксперимент, в ходе которого, используя супер-пуассоновскую статистику, подтвердили, что фотоны, генерируемые резонатором, обладают тепловой природой. Изменение температуры резонатора позволило регулировать степень супер-пуассоновского эффекта. Кроме того, было экспериментально установлено, что применение режима фазовой диффузии позволяет повысить рабочую температуру детектора, основанного на алюминиевых джозефсоновских контактах, до 700 мК (при исходных 17 мК), увеличив ее в 40 раз без снижения эффективности.
Разработанный детектор обладает энергетическим разрешением около 10 йДж (йоктоДжоулей, 10 -24 Дж) способен функционировать как квантовый сенсор, предназначенный для обнаружения аксионов – гипотетических составляющих темной материи.
Работа была поддержана грантом РНФ 19-79-10170.
Авторский коллектив: А.Л. Панкратов, Л.С. Ревин, А.В. Чигинев (Институт проблем формирования экономики РАН),
А.В. Гордеева, Д.А. Ладейников, А.В. Благодаткин (Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева)
Публикации:
a. L. Панкратов, A. В. Гордеева, A. В. Чигинев, Л. С. Ревин, A. В. Благодаткин, N. Кречини и Л. С. Кузмин, Обнаружение тепловых микроволновых фотонов в одномодовом режиме с использованием недодемпфированного Джозефсоновского перехода, Nature Communications 16, 3457, 2025.
d.A. Ладейнов, А.Л. Панкратов, Л.С. Ревин, А.В. Гордеева, А.В. Чигинев, С.А. Разов, Е.В. Ильичев, Обнаружение фотонов в диапазоне 5 ГГц с использованием алюминиевых дислоковых переходов при температуре 0,7 К, Academia Quantum 2, 7780, 2025.
Информация и иллюстрации предоставлены пресс-службой ИПФ РАН