От ловли нейтрино до безопасности в аэропортах: сверхчувствительные тепловые датчики создали в МИСИС

Изучение Вселенной, скрытая проверка посетителей в общественных местах в целях безопасности, медицинская диагностика и не только — во всех этих сферах могут принести пользу отечественные квантовые сенсоры для визуализации тепловых полей, разрабатываемые учеными Национального исследовательского технологического университета МИСИС. О проекте рассказал заведующий лабораторией криоэлектронных систем вуза, доктор физико-математических наук Сергей Витальевич Шитов на третьем заседании Квантового клуба журналистов, организованного госкорпорацией «Росатом». Яркое просветительское событие состоялось в МИСИС 6 октября.

Созданные учеными сверхпроводниковые тепловые датчики, или RFTES-детекторы (от англ. Radio Frequency Transition Edge Sensor — радиочастотный датчик края сверхпроводящего перехода), обладают очень высокой чувствительностью — порядка 1 аВт (аттоватта, 10^-18 Вт). Такие сенсоры способны регистрировать волны в уникально широком диапазоне: от сигналов традиционных мобильных телефонов до терагерцовых колебаний — с длиной волны менее 1 мм. Новые сенсоры основаны на сверхпроводниковой технологии и устанавливаются в специальные криостаты, поскольку им требуются для работы экстремально низкие температуры. Это следствие неумолимых физических законов: слабые сигналы видны только на фоне малых электрических шумов, которые необходимо «заморозить».

RFTES-детектор представляет собой крошечный чип, несущий на себе антенну. Похожим образом устроены антенны в Wi-Fi-роутерах, но роутеры предназначены для передачи сигналов во все стороны, а сенсор должен быть сфокусирован на источнике сигнала. Направленные антенны называют антеннами с усилением.

Упрощенно процесс работы датчика выглядит следующим образом. Электромагнитный сигнал попадает на полусферическую линзу, напоминающую каплю воды, которую применял изобретатель микроскопа голландец Антони ван Левенгук. Такая иммерсионная линза обладает большим увеличением и фокусирует сигнал (который, как и свет, представляет собой электромагнитную волну) на микроскопическую антенну. Принимая излучение, антенна подает ток на особый микромостик на чипе, в результате чего тот нагревается, создавая импульс, по амплитуде которого с помощью специального программного обеспечения можно определить энергию волны. При этом технология позволяет улавливать очень слабые сигналы — на уровне энергии отдельных квантов-фотонов (минимальных неделимых «порций» излучения) и определять длину зафиксированной волны.

В своем докладе С.В. Шитов сравнил разработку с микрокалориметром. Калориметр — прибор, известный многим из школьного курса физики: он представляет собой емкость с водой, в которую можно поместить кусочек льда или нагретый камешек и по охлаждению или нагреву жидкости определить исходную температуру погруженного предмета.

Сергей Витальевич Шитов подробнее рассказал корреспонденту «Научной России» о принципах работы RFTES-детекторов:

«При сверхнизких температурах в металлах электроны, переносящие ток, превращаются в своеобразный электронный газ и перестают отдавать полученное тепло. Здесь можно провести параллель с физической задачей по нагреванию предмета с помощью горячего пара вместо воды: интуитивно понятно, что пар отдаст намного больше тепла, чем жидкость. А когда электронный газ становится горячим, состояние сверхпроводимости разрушается и электрическое сопротивление мостика на чипе датчика растет, то есть происходит демпфирование электрической цепи — ее ток уменьшается. Зарегистрировать разрушение сверхпроводимости можно по-разному. Прогрессивный метод состоит в измерении добротности резонатора — элемента, подобного камертону. При сверхпроводимости резонатор “звучит” долго и громко, а в условиях демпфирования его “звук” становится глухим и коротким — это означает, что на мостик пришел сигнал и нагрел в нем электронный газ.

С помощью нескольких десятков, сотен или тысяч таких “камертонов” можно получить так называемое радиоизображение. К разным пикселям подключают резонаторы, имеющие разные частоты, — как набор камертонов у настройщика рояля. По “звуку” резонатора-“камертона” можно определить, на какой пиксель пришел сигнал, и с помощью специального программного обеспечения построить карту освещения — проявить радиоизображение».

Сейчас технология коллектива из МИСИС находится на стадии лабораторного прототипа и может быть адаптирована по запросу под конкретную область применения. Как подчеркнул С.В. Шитов, разработки полностью ведутся силами российских ученых: его команда самостоятельно проектирует не только сами датчики, но и криостаты для них и другое необходимое оборудование.

«Нам удалось творчески переработать мировой опыт создания сверхпроводящих сверхчувствительных детекторов электромагнитных волн. Результатом стало создание целого ряда уникальных приборов собственной конструкции, которые по совокупности свойств можно позиционировать не только как способные конкурировать с западными аналогами, но и как лучшие в своем классе, с расширенным спектром практических применений», — отметил С.В. Шитов.

Передовой разработке предшествовал путь длиной более, чем в три десятилетия: ученые планомерно накапливали опыт в сфере квантовой сенсорики, создавая датчики для наземных и космических телескопов, а также для детекторов нейтрино. Так, коллектив участвовал в проектировании систем для международной радиообсерватории ALMA в пустыне Атакама и в модернизации российской Зеленчукской обсерватории на Кавказе. И одно из перспективных применений RFTES-детекторов — как раз изучение объектов в дальнем космосе, от которых до Земли доходит излучение в терагерцовом диапазоне: например, звезд, пылевых облаков и даже экзопланет.

Другое ценное направление использования новых датчиков, к которому уже проявляют интерес российские исследователи, — регистрация нейтрино, нейтральных фундаментальных частиц с очень малой массой, которые проходят сквозь любые объекты на своем пути и слабо взаимодействуют с окружающей материей. Изучение нейтрино позволит людям узнать больше об истории и устройстве нашей Вселенной. Для их обнаружения используются особые кристаллы, которые светятся под действием радиации — например, иодид цезия (CsI). В дополнение к свечению, атомные ядра в этом веществе после взаимодействия с нейтрино начинают колебаться — с физической точки зрения это эквивалентно разогреву. Именно это слабейшее тепло и могут регистрировать разрабатываемые RFTES-детекторы, поскольку оно способно разрушить в них состояние сверхпроводимости. Примечательно, что Нобелевская премия по физике за 2026 г. как раз была присуждена за создание нейтринной обсерватории IceCube.

Более приземленная, но не менее значимая область возможного применения новых тепловых сенсоров — радиометрия для предотвращения проноса опасных предметов в общественные места, например в аэропорты или на железнодорожные вокзалы. Подход основан на том, что оружие или взрывные устройства отличаются от тела человека интенсивностью испускаемого тепла. Подобные разработки уже реализовывались за рубежом. Преимущества технологии — возможность скрытого наблюдения (такую систему невозможно обнаружить, поскольку она пассивно фиксирует внешнее излучение и не испускает волны сама) и полная безопасность для человека и природы.

И это не все. Еще один вариант приложения RFTES-детекторов — медицинская диагностика: оценивая небольшие изменения температуры кожи пациентов, можно диагностировать некоторые заболевания еще до проявления явных симптомов. Новые сверхчувствительные сенсоры также могут помочь в обнаружении дефектов изделий — от микросхем до промышленных труб — по их отклику на воздействие терагерцового излучения. Другой интересный вариант — считывание состояний кубитов в квантовых вычислителях на сверхпроводниковой платформе: ученые из МИСИС уже провели ряд важных расчетов и подтвердили такую возможность. А в области экологии RFTES-детекторы можно применять для мониторинга атмосферного загрязнения: по сравнению с чистым воздухом вредные выбросы обладают специфическим тепловым излучением.

Чтобы повысить эффективность сканирования с помощью новых сенсоров, исследователи из МИСИС также разработали конструкцию многолучевой матрицы, позволяющую объединять множество датчиков и таким образом получать тепловые изображения любых масштабов.

Примечательно, что благодаря своему устройству новые датчики очень устойчивы к поломкам и сбоям.

«Как описано выше, сердце сенсора — это микромостик, включенный в цепь высокодобротного резонатора, который меняет силу своего “звука” в зависимости от разогрева мостика принимаемым сигналом, — пояснил С.В. Шитов. — Благодаря высокой частоте резонатора (более 1 ГГц, или 1 млрд. Гц) мостик может быть включен в цепь резонатора через электрический конденсатор очень малой емкости. Это значит, что его не могут повредить ни постоянный ток, ни случайный статический разряд. Такая технология высокочастотного считывания похожа на то, как радиоволны не могут повредить радиоприемник; даже мощные средства радиоэлектронной борьбы лишь прерывают сеанс связи».

Исследования получают поддержку в рамках Квантового проекта Росатома и программы «Приоритет-2030» Минобрнауки России. Работа была также отмечена грантами Российского научного фонда (№17-19-01786 и №24-29-2098).

«Нам необходимо идти по пути миниатюризации мостиков-поглотителей, — поделился мыслями о развитии разработки С.В. Шитов. — Работа в этом направлении может позволить повысить чувствительность датчиков более, чем в 100 раз. Для этого нужно использовать электронную нанолитографию. Этот метод подразумевает применение очень дорогого оборудования, при этом требующего регулярных значительных вложений в техническое обслуживание. Возможность расширения области применений наших датчиков также связана с доступностью сверхнизкотемпературных рефрижераторов, тоже представляющих собой весьма дорогостоящее оборудование. Необходима их миниатюризация до размеров компактного бытового холодильника. В этом направлении сегодня работает ряд известных фирм».

Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Фото на превью: Сергей Гнусков / пресс-служба НИТУ МИСИС. 

Фото на странице: Сергей Гнусков / пресс-служба НИТУ МИСИС, Анастасия Жукова / «Научная Россия», Сергей Шитов.