ОДИН ФОТОН КАК МЕРА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

Кандидат физико-математических наук Астхик Кузанян пришла на работу в Институт физических исследований (ИФИ) НАН РА сразу же после окончания бакалавриата факультета радиофизики ЕГУ. После защиты диссертации она прошла постдокторантуру в Калифорнийском университете Лос-Анжелеса, потом вернулась в ИФИ, в лабораторию материаловедения и недавно получила грант Комитета по высшему образованию и науке РА, ориентированный на продвижение женщин-ученых. Согласно условиям гранта, работа должна выполняться с участием зарубежного специалиста, которым стал профессор Калифорнийского университета Артур Давоян.

ПРОЕКТ, РАССЧИТАННЫЙ НА ТРИ ГОДА, ТЕМАТИЧЕСКИ СВЯЗАН с диссертацией Астхик Кузанян и посвящен термоэлектрическим однофотонным детекторам. Он предполагает в первую очередь определение оптимальной конструкции детектора, изучение электрических и оптических характеристик тонких пленок материалов, входящих в состав устройства, и ставит задачу их создания и совершенствования. Эти исследования относятся к области фундаментальной науки, но, как предполагается, их результаты должны найти практическое применение.

Так чем же обусловлен большой интерес к однофотонным детекторам, в какой сфере они востребованы? Фотодетекторы — это устройства, преобразующие электромагнитное излучение в электрический сигнал, который можно измерить. Если такие детекторы обладают высокой чувствительностью и способны регистрировать даже самую малую частицу света – один фотон, то их называют однофотонными. Область практического применения однофотонных детекторов в науке и технике очень широкая. Это квантовые технологии, на которых основаны новые вычислительные системы, способные передавать огромный объем информации. Это и область космических исследований, медицинская диагностическая аппаратура, телекоммуникационные системы, безопасность и т.д. Словом, однофотонные детекторы очень нужны и дорого стоят.

Существует большое разнообразие типов однофотонных детекторов, некоторые из них работают при комнатной температуре. Это фотодетекторы и лавинные фотодиоды – полупроводниковые высокочувствительные устройства, преобразующие свет в электрический сигнал благодаря фотоэффекту. Однако у них низкая эффективность, а шумы очень высокие. Рекордными характеристиками сегодня обладают сверхпроводящие нанопроволочные детекторы, но они могут работать только при очень низких температурах - от 0,5 до 3-4 градусов Кельвина, а это примерно -270 градусов Цельсия. Такая температура создается в дорогостоящих криостатах. Эти устройства уже есть на рынке, но они имеют сложную конструкцию, жесткие требования по приложенному напряжению, температуре и ряду других условий.

Выполняемый в Институте физических исследований проект направлен на то, чтобы, не снизив чувствительности устройства, смягчить требования к условиям работы детектора и создать более удобную в работе и производстве, а также доступную по цене альтернативу. Термоэлектрические детекторы, которые разрабатывает научная группа, которой руководит Астхик Кузанян, будут иметь только температурные требования, все прочие условия работы детектора будут значительно смягчены, а его производство существенно облегчится и будет обходиться дешевле.

Предлагаемое участниками проекта устройство основано на новом подходе к однофотонному детектированию, имеет простую конструкцию и при этом полностью выполняет поставленные задачи. Получить необходимые характеристики удается благодаря напылению определенных материалов, изучением свойств которых и занимается лаборатория материаловедения. Для создания прототипа высокоэффективных однофотонных детекторов нужно отобрать именно те материалы, которые будут отвечать требованиям для выполнения научных и практических задач регистрации одиночных фотонов в широкой области электромагнитного спектра от инфракрасного излучения до жесткого рентгена. Очень важен и размер, толщина пленок, поскольку от этого будет зависеть скорость счета и отношение сигнал/шум детектора. Всем необходимым оборудованием для проведения экспериментов по однофотонному детектированию ИФИ не располагает, обеспечение этих условий обошлось бы в огромные суммы. И тут приходит на помощь компьютерное моделирование, позволяющее получить необходимые характеристики исследуемых объектов без реальных экспериментов.

СЕРЬЕЗНУЮ ПОМОЩЬ ОКАЗЫВАЕТ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ, проведенных в предыдущие годы. Так, например, в прошлом уже были рассмотрены перспективы использования однослойного термоэлектрического однофотонного детектора, но оказалось, что такая геометрия плохо работает, что не позволяет определить энергию поглощенного фотона с высокой точностью, а также количество поглощенных фотонов. И это не единичный пример. Отрицательный результат дали и расчеты возможности использования некоторых материалов. Перспективные результаты получены в рамках предыдущего проекта Комитета по высшему образованию и науке 21T-1C088. Определены геометрия и материалы термоэлектрического сенсора, которые обеспечивают высокое соотношение сигнал/шум при регистрации одиночных фотонов ультрафиолетового диапазона. Таким образом была создана определенная база данных, которая помогает выполнению стоящей перед новым проектом задачи по созданию первого прототипа термоэлектрического однофотонного детектора.

Как уже было сказано, одним из важнейших требований к детектору, его чувствительности является способность устройства регистрировать один фотон. Если это очень сложное требование выполнено, значит чувствительность устройства максимально возможная. Этой задачей лаборатория материаловедения, в которой работает Астхик Кузанян, занимается уже долгие годы. Прежде эти исследования проводились совместно с коллегами из исследовательской лаборатории военно-морских сил США (NRL), но потом американская группа сменила тематику и армянские ученые продолжили исследования самостоятельно.

И все-таки, почему так важно увидеть одиночный фотон и соответствие именно этому требованию определяет эффективность детектора? Оказывается, это необходимо, чтобы не потерять информацию. А если учесть перспективы использования этих детекторов в квантовых технологиях, то такого рода потери недопустимы.

Перед участниками проекта, выполняемого под руководством Астхик Кузанян, стоит немало сложных задач, однако есть уверенность в том, что ученые с ними успешно справятся и таким образом внесут свой вклад в развитие квантовых технологий, совершенствование медицинской аппаратуры и создание условий для проведения других важных исследований.