РЕГИСТРАЦИЯ ФОТОНОВ

Сверхпроводимость помогает регистрировать отдельные фотоны.

ПЗС-МАТРИЦА телескопа Keckв Гавайской обсерватории на Мауна-Кеа – типичное устройство для получения изображений в современной астрономии. Сверхпроводниковые ПЗС-матрицы позволят регистрировать отдельные фотоны.

ПОГРАНИЧНОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ Сверхпроводимость используется и в другом типе высокочувствительных детекторов. Кусочек сверхпроводника поддерживается на грани превращения в обычный проводник, т. е. при температуре чуть ниже точки перехода в сверхпроводящее состояние. Малейшее повышение температуры, вызванное поглощение единичного фотона, приводит к потере сверхпроводимости и, следовательно, резкому изменению электрического сопротивления цепи, которое регистрируется электронной схемой. Сотрудники Национального института стандартов и технологий США работают над созданием восьми матриц по 1600 пикселей для телескопа «Максвелл» Гавайской обсерватории на Мауна-Кеа (сейчас там установлены две 64-пиксельные матрицы). Они предназначены для наблюдений в субмиллиметровом диапазоне. Для каждого пикселя требуется отдельный сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик, играющий роль усилителя.

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) широко применяются в бытовой электронике: в сканерах, фото- и видеокамерах. ПЗС-матрицы – самый распространенный тип оптических детекторов в астрономии, но они не позволяют определить длину волны и, следовательно, цвет излучения. Поэтому в цифровых фотоаппаратах используются красные, синие и зеленые светофильтры для отдельных пикселей или даже для трех разных ПЗС-матриц. Однако светофильтры снижают чувствительность и позволяют лишь приблизительно определить длину волны. Недавно группа исследователей из Лаборатории реактивного движения и Калифорнийского технологического института под руководством Питера Дея (Peter K. Day) продемонстрировала сверхпроводящее устройство, позволяющее регистрировать отдельные фотоны и определять их длину волны. Но главное, что из таких микродатчиков можно составлять большие матрицы.

Изготовление детектора начинается с нанесения тонкой алюминиевой пленки на сапфировую подложку. После травления обычным фотолитографическим способом на ней остается металлическая полоска в форме меандра. При охлаждении почти до абсолютного нуля (ниже 10 К) алюминий переходит в сверхпроводящее состояние, и в полоске возникают электрические колебания.

В сверхпроводнике электроны образуют слабосвязанные куперовские пары, которые движутся в металле, не встречая сопротивления. Именно легкость их перемещения определяет резонансную частоту колебаний тока в сверхпроводящей алюминиевой полоске. Когда на нее попадает фотон, он разрушает некоторые электронные пары, делая сверхпроводник более «вязким». В результате резонансная частота полоски снижается, а резонанс ослабляется. Степень этих изменений зависит от числа разрушенных фотоном куперовских пар, которое определяется энергией фотона, т. е. его длиной волны. Усилители и другие электронные схемы завершают процесс детектирования. Испытания опытного образца проводились с использованием рентгеновских фотонов, испускаемых радиоактивным изотопом железа, но конструкцию детектора можно приспособить к любым длинам волн – от субмиллиметровых (микроволны) до гамма-излучения.

У описанного прибора есть одно важное достоинство: при составлении оптической матрицы не обязательно оснащать предусилителем и сигнальным выводом каждый элементарный датчик. Если использовать для пикселей несколько различающиеся резонансные частоты, то можно применять общий предусилитель и всего один сигнальный отвод.

Высокочувствительные детекторы отдельных фотонов могут применяться в астрономических наблюдениях в диапазоне от субмиллиметровых радиоволн до гамма-излучения, в рентгеновском анализе материалов, флуоресцентной микроскопии отдельных молекул и в системах связи. Они успешно используются для поиска дефектов в микросхемах, т.к. обнаруживают инфракрасное излучение, испускаемое транзисторами при переключении.

К сожалению, уровень собственного шума детекторов оказался выше ожидаемого. Чувствительность датчиков достаточно высока для некоторых астрономических наблюдений с Земли, но для проведения исследований с помощью космических телескопов ее нужно повысить как минимум в десять раз.

Оригинал - www.sciam.ru