Наука и инновации 810

Ученые НГТУ им. Р.Е. Алексеева разработали болометр на холодных электронах с рекордно низкой электронной температурой


Рис. 1. (a) 3D-изображение структуры болометра на холодных электродах (БХЭ) с поглотителем с подслоем железа для подавления сверхпроводимости и андреевского двухчастичного тока, (b) энергетическая диаграмма туннельного НИС перехода нормальный металл-изолятор-сверхпроводник; горячие электроны, попадая в сверхпроводник захватываются нормальной ловушкой и уводятся от туннельного перехода.

Группа ученых из Нижегородского государственного технического университета под руководством Леонида Кузьмина (L. S. Kuzmin) усовершенствовала болометр на холодных электронах (БХЭ) и достигла рекордно низкой электронной температуры. Авторам удалось подавить андреевское рассеяние и охладить электроны с 300 до 65 милликельвин, что позволяет увеличить чувствительность детектора. Работа опубликована в журнале Scientific Reports [1]. Ранее те же авторы добились рекордной чувствительности подобного болометра [2], однако в предыдущей работе, опубликованной в журнале Communications Physics, охлаждение было с 310 до 120 мК.

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 обычно 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 на холодных электронах. 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. Туннелирование горячих электронов с высокими энергиями приводит к охлаждению абсорбера. Понятно, что протуннелировавшие электроны могут вернуться назад и их необходимо остановить. Чаще всего для этого используют ловушки из нормального металла и отводят энергию релаксировавших электронов от туннельного перехода. Кроме того, на границе нормальный металл-сверхпроводник возможно андреевское рассеяние, которое тоже негативно влияет на чувствительность детектора.

Ученые  НГТУ им. Р.Е. Алексеева модифицировали стандартную структуру болометра с абсорбером из алюминия и железа. Подслой железа позволяет контролировать траекторию электронов, что помогает 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 нарушить когерентность между электронами и отраженными дырками так, чтобы подавить процесс рассеяния на границе. Кроме того, подслой ферромагнетика позволяет использовать алюминий в не сверхпроводящем состоянии вместо меди. Такой слой можно сделать тонким и благодаря этому уменьшить объем, электронную теплоемкость и электрон-фононное взаимодействие.

Исследователи сравнили три вида структур: в первой использовали алюминий с хромом в качестве подслоя, а в двух других — алюминий с железом. 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 близок к теоретическому пределу для такой структуры, рассчитанному с помощью уравнений теплового баланса: теория предсказывает охлаждение до 65 милликельвин при температуре фононов 300 милликельвин. Важно, что можно добиться охлаждения до 300 милликельвин с помощью привычного 3He криостата с откачкой паров. Использование предложенного метода охлаждения позволит создавать детекторы для применения в космосе и может стать важным шагом для квантовой калоритроники. Работы коллектива поддержаны Российским научным фондом.

[1] A.V. Gordeeva, A.L. Pankratov, N.G. Pugach, A.S. Vasenko, V.O. Zbrozhek, A.V. Blagodatkin, D.A. Pimanov & L.S. Kuzmin, Scientific Reports, 10, 21961 (2020);
[2] L.S. Kuzmin, A.L. Pankratov, A.V. Gordeeva, V.O. Zbrozhek, V.A. Shamporov, L.S. Revin, A.V. Blagodatkin, S. Masi & P. de Bernardis, Communications Physics, 2, 104 (2019).