Физика

Температура электронов в болометре приблизилась к теоретическому минимуму

Температура электронов в болометре приблизилась к теоретическому минимуму

A.V. Gordeeva et al. / Scientific reports, 2020

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.

(a) 3D-изображение структуры абсорбера с подслоем железа и двух стоков горячих электронов, (b) энергетическая диаграмма границы раздела металл-сверхпроводник, электроны попадая в сверхпроводник

A.V. Gordeeva et al. / Scientific reports, 2020

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.

Три типа структур, использованных в эксперименте. Вторая (b) и третья (c) значительно отличаются от первой — у них есть стоки с двух сторон

A.V. Gordeeva et al. / Scientific reports, 2020

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.

Источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть