Ученые впервые зафиксировали одиночные тепловые фотоны и сделали шаг к поиску темной материи

Результаты опубликованы в журнале Nature Communications. Исследование проводилось в рамках проекта сотрудников НГТУ при поддержке РНФ.

Детектирование одиночных фотонов в гигагерцовом диапазоне длин волн, а тем более исследование их статистики, является крайне сложной задачей. А именно в этом диапазоне, и особенно в интервале от 5 до 15 ГГц, ученые надеются обнаружить частицы темной материи – аксионы, которые в сильных магнитных полях должны конвертироваться в фотоны. Микроволновой диапазон перспективен для разработчиков фотонных квантовых компьютеров. В отличие от оптического диапазона, где сложно произвести запутывание фотонов из-за малых нелинейностей и малых длин волн, из-за чего такие компьютеры являются вероятностными, в микроволновом диапазоне относительно легко достижим режим сильной связи между «фотонными» кубитами. Благодаря этому можно реализовывать многокубитные операции и таким образом создать универсальный фотонный квантовый компьютер, где кубитами являются не отдельные логические элементы, а операции над фотонами.

Для создания и проведения эксперимента объединились ученые разных стран и научных институтов. Серию образцов детектора создали под руководством профессора Леонида Сергеевича Кузьмина на базе Технологического университета Чалмерса (Швеция). Их соавтором и основным технологом, изготовившим образцы, стала Анна Гордеева, руководитель лаборатории «Сверхпроводниковая наноэлектроника» НГТУ. Медный резонатор, являющийся источником тепловых фотонов,  изготовил Николо Крещини из Национального института ядерной физики (Падуя, Италия), а нижегородские ученые, сотрудники ИФМ РАН, осуществляли доработку и настройку антенны резонатора с использованием оборудования Центра коллективного пользования ИФМ РАН.

Андрей Панкратов с управляющей стойкой криостата растворения Triton 200 в Центре квантовых технологий НГТУ / © Пресс-служба ИПФ РАН

Cборка системы «источник фотонов-детектор» проходила в лаборатории НГТУ под руководством Андрея Панкратова, доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника отдела терагерцовой спектрометрии ИФМ РАН. Научные сотрудники института также отвечали за настройку измерительного стенда, создание программного обеспечения, проведение экспериментов и обработку данных.

Для создания уникальных детекторов специалисты НГТУ использовали джозефсоновский переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник на основе алюминиевых наноструктур. Такой подход позволил добиться большого времени между ложными срабатываниями – 10 секунд, это мировой рекорд.

«Наш детектор имеет время ложного срабатывания 10 секунд и при этом его эффективность достигает 45%. Эффективность ограничивается не свойствами детектора, а критической связью антенны и резонатора, что приводит к испусканию каждого второго фотона, рожденного в резонаторе. При увеличении времени ложного срабатывания количество «пойманных» фотонов уменьшается. Но мы уже понимаем, как решить эту задачу. Вполне реально увеличить время между ложными срабатываниями до 1000 секунд и практически не снижать эффективность детектора. Мы уже работаем над этим», — рассказывает Андрей Панкратов.

Исследования детектора и резонатора проводились в криостате растворения при температурах 20-80 мК. В этом диапазоне температур можно менять поток тепловых фотонов из резонатора от 1 фотона за 1000 секунд до нескольких тысяч фотонов в секунду и эффективно настраивать систему детектирования, изменяя ток через джозефсоновский контакт. Одним из важных результатов работы является демонстрация супер-Пуассоновской статистики фотонов, что подтверждает их тепловую природу, а также является признаком квантового хаоса.

«Нижегородский детектор работает в диапазоне 14 ГГц, благоприятном для поиска аксионов, – поясняет Андрей Панкратов. – Аксионы являются одними из наиболее вероятных кандидатов на роль частиц темной материи, неизученной потому, что она не взаимодействует с электромагнитным излучением, а проявляется только гравитационно. Обнаружить аксионы напрямую невозможно, но предполагается, что в сильном магнитном поле они могут конвертироваться в фотоны. Многие научные группы в мире пытаются решить задачу обнаружения фотонов от конверсии аксионов. Созданная нами рабочая система хороша тем, что не требует для своей работы низкофоновых условий. Ее не надо помещать глубоко под землю, чтобы уменьшить помехи. Поэтому поиск аксионов можно проводить в любой лаборатории, где имеется соответствующее оборудование».

Для дальнейшего развития этого исследования потребуется разработка нового оборудования, например, больших резонаторов с возможностью перестройки частоты, еще более эффективных детекторов и антенн. Такая полноценная рабочая система поможет специалистам продвинуться в «поисках» темной материи.