Фрагмент установки, где изображен медный цилиндрический резонатор, снизу которого находится нагревательный резистор, а сверху – прецизионный СКВИД-термометр
В Нижнем Новгороде впервые проведено детектирование одиночных фотонов на частотах от 9 до14 ГГц с эффективностью до 45% и ложными срабатываниями с частотой 0,1 Гц сверхчувствительным детектором фотонов микроволнового диапазона на основе алюминиевых джозефсоновских контактов, а также экспериментально подтверждена тепловая природа детектируемых фотонов. Детектор, разработанный группой физиков Центра квантовых технологий – базового центра Института физики микроструктур РАН в НГТУ им. Р.Е. Алексеева под руководством доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника Андрея Леонидовича Панкратова, представляет собой «слойку» двух алюминиевых сверхпроводников с туннельным барьером между ними. В отличие от работ нобелевских лауреатов в области физики 2025 года, для исследований квантовых эффектов нижегородцами был выбран джозефсоновский контакт значительно меньшей площади, что позволило перейти в режим фазовой диффузии для уменьшения вероятности ложных срабатываний.
При низкой температуре такой детектор имеет сложную нелинейную гистерезисную вольт-амперную характеристику: при увеличении тока переход на конечное напряжение происходит при некотором значении, называемом критическим током, а возврат к нулевому напряжению происходит при уменьшении тока почти до нуля. В качестве источника ГГц фотонов использовался резонатор с изменяемой температурой. Для нагрева резонатора применялся обыкновенный резистор, а температура контролировалась с помощью квантового сенсора – шумового СКВИД-термометра. Таким образом, экспериментально было подтверждено, что при увеличении температуры резонатора от 20 до 80 мК темп тепловых фотонов, случайно возникающих в резонаторе, изменяется примерно от 1 в 1000 с до 1000 в секунду и описывается формулой Планка. Джозефсоновский контакт, изначально находясь в сверхпроводящем состоянии с нулевым напряжением, после прихода фотона переключался в состояние с конечным напряжением.
Принципиальная схема измерения (сверху) и временные зависимости сигналов детектора при различных температурах резонатора (снизу)
Таким образом, впервые в мире нижегородцы экспериментально детектировали и на основании супер-Пуассоновской статистики показали, что полученные случайным образом фотоны, идущие от резонатора, имеют тепловую природу. При этом, меняя температуру резонатора, удалось управлять степенью супер-Пуассоновости. Также экспериментально было показано, что использование режима фазовой диффузии позволяет до 40 раз (с 17 до 700 мК) увеличить рабочую температуру детектора на основе алюминиевых джозефсоновских контактов без потери его эффективности.
Созданный детектор, имеющий энергетическое разрешение порядка 10 йДж (йоктоДжоулей, 10-24 Дж), может быть использован в качестве квантового сенсора для поиска аксионов – гипотетических частиц темной материи.
Работа была поддержана грантом РНФ 19-79-10170.
Авторский коллектив: А.Л. Панкратов, Л.С. Ревин, А.В. Чигинев (ИПФ РАН),
А.В. Гордеева, Д.А. Ладейнов, А.В. Благодаткин (НГТУ им. Р.Е. Алексеева)
Публикации:
1. A. L. Pankratov, A. V. Gordeeva, A. V. Chiginev, L. S. Revin, A. V. Blagodatkin, N. Crescini & L. S. Kuzmin, Detection of single-mode thermal microwave photons using an underdamped Josephson junction, Nature Communications 16, 3457, 2025.
2. D.A. Ladeynov, A.L. Pankratov, L.S. Revin, A.V. Gordeeva, A.V. Chiginev, S.A. Razov, E.V. Il’ichev, Detection of 5 GHz photons using Al Josephson junctions at 0.7 K, Academia Quantum 2, 7780, 2025.
Информация и иллюстрации предоставлены пресс-службой ИПФ РАН
Источник иллюстраций: пресс-служба ИФМ РАН
