Ближе к звездам: созданы сверхчувствительные детекторы для исследования космоса
С помощью новейших детекторов, созданных в Университете МИСИС, можно получать более полные и точные карты небесных объектов и тем самым ускорять научные исследования. Отечественные сверхпроводящие устройства, работающие вблизи абсолютного нуля температур, ниже 1 Кельвина, эффективнее обрабатывают данные благодаря низкому уровню собственного термодинамического шума.
Космические объекты можно изучать не только по их оптическому изображению. Они обладают широкополосным термодинамическим излучением. Невидимые глазу микроволны в радиочастотной части спектра несут значительно больше информации о том, из чего состоит Вселенная. Чтобы "ощупать" небесное тело, радиотелескоп формирует чрезвычайно узкий луч, которым пронизывает пространство.
Терагерцовые волны занимают положение между радиоволнами и видимым светом. Даже если сигналы слабые, их можно различить на высоких частотах, так как в терагерцовом диапазоне во Вселенной, согласно закону Планка, меньше теплового шума. Охлаждаемые детекторы со сверхпроводимостью лучше всего подходят для улавливания сигналов теплового излучения. Принцип работы устройств основан на том, что термодинамическое излучение фокусируется и разогревает сверхпроводящий микромостик, что заставляет его перейти из сверхпроводящего в резистивное состояние.
«Наиболее востребованными в радиоастрономии являются сверхчувствительные охлаждаемые детекторы. Используя самые короткие волны, появляется возможность создавать устройства для апертурного синтеза, то есть метода радионаблюдений с высоким угловым разрешением на небольших радиотелескопах, что позволяет изучать дальнюю Вселенную, исследовать химические вещества на экзопланетах — кислород, воду и т.д.», — рассказал автор патентов, д.ф.-м.н. Сергей Шитов, заведующий лабораторией криоэлектронных систем НИТУ МИСИС, ведущий научный сотрудник Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН.
В микросхеме активного сверхпроводящего терагерцового детектора интегрированы два сверхпроводящих прибора: RFTES-болометр (Radio Frequency Transition Edge Sensor — радиочастотный датчик края сверхпроводящего перехода) и СВЧ-предусилитель на основе магнитного датчика — сквида постоянного тока. В микросхеме заложена чувствительность к очень малым энергиям сигнала, преобразуемого в магнитное поле. По сравнению с традиционными устройствами, новое устройство обладает потенциалом для реализации предельно возможной чувствительности и оптимальной функциональности. Несколько детекторов можно объединить в матрицу, чтобы проводить одновременные наблюдения на разных частотах или получать изображения, похожие на фотографии. Матричное решение значительно увеличит скорость и объем собираемых данных, что особенно полезно для детальных астрономических исследований.
«Терагерцовый диапазон позволяет исследовать области, которые ранее были недоступны для оптических наблюдений. Можно изучать такие астрономические объекты, как звезды, галактики и межзвездные молекулы, ведь терагерцовые волны могут проникать через некоторые непрозрачные вещества, например, через пыль. С помощью нового подхода к конструкции микросхем мы смогли решить проблему теплопритока к охлаждаемым частям приемного устройства, что улучшает общую эффективность детектора», — объяснил инженер-исследователь лаборатории криоэлектронных систем Никита Руденко.
Второй патент объединяет два RFTES-болометра особым способом. Как весы с одинаковыми гирями, они находятся в равновесии, но отклоняются при разности сигналов. Такой дифференциальный детектор способен выявлять малейшие градиенты излучения от обширной поверхности объектов и особенно интересен для изучения неоднородностей фонового излучения Вселенной, вызванных Большим взрывом.
«В Университете МИСИС сформированы научные коллективы, ведущие исследования в области квантовых технологий. Команда ученых под руководством д.ф.-м.н., заведующего лабораторией криоэлектронных систем Сергея Шитова создала инновационные сверхпроводящие детекторы, которые будут востребованы в высокотехнологичных, наукоемких сферах – исследовании космического пространства, авиационной безопасности, медицине и мн. др. Разработки успешно запатентованы в Федеральной службе по интеллектуальной собственности (Роспатенте)», — отметила ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.
Детекторы созданы в рамках стратегического проекта НИТУ МИСИС «Квантовый интернет» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030» (проект K2-2022-029).
