Иллюстрация: A.V. Gordeeva et al. / Scientific reports. Российские физики недавно достигли весьма значительного прорыва в области детектирования, создав болометр холодных электронов с рекордно низкой рабочей температурой. Благодаря полному подавлению андреевского рассеяния, этим исследователям удалось охладить электроны в приемнике до 65 милликельвин. Это позволило существенно повысить чувствительность детектора, что имеет важное значение для изучения слабого реликтового излучения и исследования Вселенной. Болометры – это приборы, которые регистрируют изменение физической величины (например, электрического сопротивления) в зависимости от мощности падающего излучения. Чувствительность болометра напрямую зависит от температуры приемника. Стандартные гелиевые криостаты, используемые для охлаждения, обеспечивают рабочую температуру порядка 300 милликельвин. В болометрах холодных электронов используется абсорбер из «нормального» металла, который способен самоохлаждаться при облучении фотонами.
(a) 3D-изображение структуры абсорбера с подслоем железа и двух стоков горячих электронов, (b) энергетическая диаграмма границы раздела металл-сверхпроводник, электроны попадая в сверхпроводник. A.V. Gordeeva et al. / Scientific reports
Это открывает возможность достижения еще более низких температур и повышения чувствительности детектора. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.
При низких температурах колебания кристаллической решетки (фононы) очень слабы, поэтому электроны, выбитые фотонами, практически не теряют свою энергию и могут туннеллировать в другую часть детектора — сверхпроводник. Отток горячих электронов с высокими энергиями приводит к охлаждению абсорбера. Понятно, что сбежавшие электроны могут вернуться назад и их необходимо остановить. Чаще всего для этого используют ловушки и создают барьер на обратном пути у электронов. Кроме того, на границе нормальный металл-сверхпроводник возможно андреевское рассеяние, которое тоже негативно влияет на чувствительность детектора.
Группе российских ученых под руководством Леонида Кузьмина (L. S. Kuzmin) из Нижегородского государственного технического университета имени Алексеева удалось усовершенствовать болометр холодных электронов и добиться рекордно низких температур. Ученые модифицировали стандартную структуру болометра с абсорбером из алюминия и железа. Подслой железа позволил контролировать траекторию электронов, что помогло в борьбе с андреевским рассеянием.
Помимо температуры на чувствительность болометра влияет и объем абсорбера — чем он меньше, тем выше чувствительность. Обычно в качестве нормального металла используют медь, которую наносят поверх сверхпроводящего алюминия. При этом, слой меди должен быть толще из-за технологических требований. Авторы предложили использовать алюминий в не сверхпроводящем состоянии вместо меди. Такой слой можно сделать тонким и благодаря этому уменьшить объем, электронную теплоемкость и электрон-фононное взаимодействие.
В борьбе с андреевским рассеянием, сильно ограничивающим чувствительность детектора, ученым помог подслой из железа в абсорбере. Настройка магнитного поля этого подслоя позволила установить относительную фазу между электронами и отраженными дырками так, чтобы подавить процесс рассеяния на границе.
Три типа структур, использованных в эксперименте. Вторая (b) и третья (c) значительно отличаются от первой – у них есть стоки с двух сторон. A.V. Gordeeva et al. / Scientific reports
Полученный результат оказался очень близок к теоретическому пределу, рассчитанному с помощью уравнений теплового баланса: теория предсказывает охлаждение до 50 милликельвин при температуре фононов 300 милликельвин. Важно, что можно добиться охлаждения до 300 милликельвин с помощью привычного гелиевого криостата. Использование предложенного метода охлаждения позволит создавать детекторы для применения в космосе и может стать важным шагом для квантовой калоритроники.
Кроме чувствительности болометра, физиков интересует и скорость его считывания. Ученым из США и Финляндии уже удалось улучшить время отклика устройства в 100 раз. А группа исследователей из того же финского университета разработала и изготовила квантовый болометр на графене.
Автор: Оксана Борзенкова
Источник: https://nplus1.ru/
