Российские физики изготовили болометр холодных электронов с рекордно низкой температурой. Авторам удалось подавить андреевское рассеяние и охладить электроны до 65 милликельвин, что позволило увеличить чувствительность детектора. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.
Болометры используют для регистрации слабого реликтового излучения, поэтому их чувствительность играет важную роль в возможностях исследования Вселенной. В основе работы болометра лежит изменение какой-то величины, например, электрического сопротивления, в зависимости от мощности падающего излучения. Чувствительность детектирования слабых сигналов напрямую связана с температурой приемника, поэтому в качестве стандартных охладителей часто используют гелиевые криостаты. Криостаты, которые могут работать в невесомости, для охлаждения используют откачку паров 3He и имеют рабочую температуру порядка 300 милликельвин.
Дальнейшее охлаждение детектора возможно в болометрах холодных электронов. Чувствительный элемент такого болометра из «нормального» металла (не в сверхпроводящем состоянии) — абсорбер — способен самоохлаждаться при облучении его фотонами. 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.
Исследователи изготовили три вида структур: в первой использовали хром в качестве нормального металла, а в двух других — алюминий. Кроме того, вторая и третья структуры имели дополнительный сток горячих электронов, а третья — электронную ловушку для предотвращения оттока электронов в абсорбер. Как и ожидалось, в первой структуре андреевский ток значительно ограничил охлаждение, в то время как температура электронов в третьем образце опустилась до 65 милликельвин при начальной температуре фононов 300 милликельвин. Дальнейшее уменьшение температуры фононов приводит систему к насыщению — при температурах ниже 250 милликельвин температура электронов остается постоянной на уровне 42 милликельвин.
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.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение