Болометры на холодных электронах повысят чувствительность будущих космических радиотелескопов

Рис. 1. Сверху: схема устройства болометра на холодных электронах и его работы. Фотоны реликтового излучения попадают в детектор с двумя СИН-контактами (сверхпроводник-изолятор-"нормальный» металл). Там они передают свою энергию рабочему телу абсорбера, который слегка нагревается. Этот нагрев и регистрируется детектором. Внизу: сделанная при помощи сканирующего электронного микроскопа фотография такого болометра, интегрированного в золотую антенну (желтая); сверхпроводящие электроды показаны синим и зеленым, абсорбер — красным. Рисунки из обсуждаемой статьи в Communications Physics

Один из основных способов изучать реликтовое излучение — использование специализированных космических радиотелескопов. Они сканируют все небо, собирая реликтовые фотоны с огромной площади и ловя их на матрицу, состоящую из высокочувствительных детекторов — болометров. Важная для космологов анизотропия температуры реликтового излучения не превышает сотых долей процента, поэтому приемник должен давать еще меньшую погрешность. Здесь возникают две серьезные проблемы: тепловые флуктуации в чувствительном элементе приемника — абсорбере — за счет недостаточно низкой температуры и быстрый перегрев абсорбера из-за приходящего сигнала, что уменьшает чувствительность и динамический диапазон приемника. Российские физики под руководством выпускника МГУ Леонида Кузьмина предложили новый тип детекторов, болометры на холодных электронах, в которых обе эти проблемы успешно решаются за счет электронного самоохлаждения на чипе.

Реликтовое излучение (или космический микроволновый фон) — свет от молодой Вселенной, несущий важную информацию о ее свойствах. Оно отделилось от первичной плазмы, заполнявшей все пространство, когда та остыла примерно до 3000 K. Это произошло примерно 13,7 млрд лет назад — Вселенной тогда было около 380 000 лет. Испущенные в тот момент фотоны с тех пор так и бороздят космическое пространство — со всех сторон и во всех направлениях, представляя собой отпечаток состояния Вселенной на очень ранней стадии ее жизни. Вглядываясь в него — точнее, в неоднородности (анизотропию), которые есть на этом отпечатке, — ученые пытаются воссоздать эволюцию Вселенной и проследить, как первичные квантовые флуктуации трансформировались со временем в галактики и скопления галактик.

С момента открытия реликтового излучения Пензиасом и Вильсоном в 1965 году прошло уже более 50 лет, но оно по-прежнему остается единственным электромагнитным сигналом из такого далекого прошлого. Более того, поскольку плазма экранирует электромагнитное излучение и первичные фотоны, возникшие в результате рекомбинации материи и антиматерии, заглянуть дальше в буквальном смысле мы уже не сможем. Правда, существующие теории предсказывают, что кое-что о более ранней Вселенной узнать можно, если удастся увидеть в реликтовом излучении следы первичных гравитационных волн. Подробнее обо всем этом можно прочитать в статьях Б. Штерна Реликтовые гравитационные волны: последний штрих в картине происхождения Вселенной? и В. Рубакова Вселенная до горячего Большого взрыва.

Основная цель текущих экспериментов по исследованию реликтового излучения — понять, произошло ли инфляционное расширение (со скоростью, большей скорости света), когда Вселенной было около 10⁻³⁷ секунд. Обнаружение такого расширения очень важно, поскольку оно решило бы парадоксы стандартной модели Горячего Большого взрыва (например, проблему горизонта, которая заключается в том, что Вселенная слишком однородна на больших масштабах; подробно об этом см. в упомянутой статье В. Рубакова), описывающей эволюцию и свойства нашей Вселенной (см. статью О. Верходанова Есть ли проблемы с согласованием скорости расширения Вселенной?).

Многие теоретические модели предсказывают, что этот процесс должен был оставить следы в виде очень маленького поляризованного сигнала в реликтовом излучении (отклонение должно быть меньше 0,1 мкК на фоне современного значения температуры РИ, равного ~2,7 К) — так называемой B-моды поляризации. В 2014 году коллаборация BICEP2 объявила, что их расположенный в Антарктиде телескоп впервые обнаружил B-моду, также было заявлено об обнаружении реликтовых гравитационных волн (подробно это описано в новости Эксперимент BICEP2 подтверждает важнейшее предсказание теории космической инфляции, «Элементы», 22.03.2014). Последовавшая тщательная проверка этих результатов с учетом данных спутника «Планк» показала, что за B-моду был ошибочно принят очень похожий сигнал от космической пыли (см. Новые данные обсерватории Planck закрывают чересчур оптимистичную интерпретацию результатов BICEP2, «Элементы», 24.09.2014). В принципе, загрязнение пылью можно отсеять, если анализировать небо на разных частотах, чтобы оптимально понять спектральное поведение различных компонент реликтового излучения.

Предыдущие космические миссии, специально предназначенные для исследования реликтового излучения, — РЕЛИКТ-1, COBE, WMAP и «Планк» — уже отработали свое, существенно обогатив своими результатами астрофизику и космологию. А для будущих миссий необходимо повысить чувствительность приемников еще на порядок и сделать их многочастотными, чтобы проводить измерения на нескольких частотах одновременно для корректного учета вклада космической пыли и других мешающих факторов. Важно также и повышать устойчивость детекторов к космическим лучам, которые постоянно бомбардируют технику в космосе и дают шумовые сигналы (так называемые глитчи).

Новый спутник Европейского космического агентства COrE, также как и следующий российский спутник «Миллиметрон», должен удовлетворять всем этим противоречивым требованиям, то есть сочетать высокую чувствительность к принимаемому полезному сигналу с высокой радиационной стойкостью и быть защищенным от влияния космических лучей. Так, финансирование миссии COrE до сих пор не одобрено, поскольку на протяжении ряда лет не удается прийти к компромиссу между чувствительностью приемников, криогенной системой и стоимостью всего проекта. Дело в том, что планируемая мощность, эквивалентная шуму, должна составлять 10⁻¹⁸ Вт/√Гц (для сравнения, у «Планка» было 2∙10⁻¹⁷ Вт/√Гц) при температуре 100 мК, а стандартные ³He-криостаты для космоса основаны на откачке паров ³He, поэтому имеют рабочую температуру не ниже 260 мК. Криостаты растворения основаны на растворении жидкого ³He в ⁴He и могут достигать температур порядка 10 мК, однако они не могут функционировать в космосе из-за невесомости. Для достижения температуры 100 мК на «Планке» использовался уникальный криостат растворения открытого цикла, в котором ³He через маленькое отверстие уходил в вакуум, что ограничивало хладопроизводительность и время работы такого криостата.

Сотрудники Лаборатории криогенной наноэлектроники НГТУ им. Р. Е. Алексеева и Чалмерского технологического университета (Швеция) предлагают альтернативный подход к проблеме чувствительности детекторов для космических телескопов. Ими разработан уникальный болометр на холодных электронах (БХЭ), который не требует криостата растворения, а может показывать высокую чувствительность, работая в стандартных ³He-криостатах при температуре 300 мК за счет самоохлаждения.

Болометр — это устройство для измерения мощности падающего электромагнитного излучения при помощи материалов с зависимым от температуры электрическим сопротивлением: поглощая фотоны, рабочее тело болометра нагревается, из-за чего меняется его сопротивление, которое уже измеряется. Он был изобретен в 1878 году американским физиком Сэмюэлем Пьерпонтом Лэнгли. Современные болометры являются самыми чувствительными детекторами микроволнового излучения.

БХЭ использует метод электронного самоохлаждения на чипе. При этом охлаждается не весь болометр, а только самый чувствительный элемент болометра, абсорбер, имеющий наноразмеры, что гораздо эффективнее.

Рис. 2. Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая принцип работы туннельных СИН-контактов с комбинацией четырех функций: емкостная СВЧ-связь, тепловая изоляция, термометрия и электронное охлаждение. Волнистой стрелкой показан фотон, попавший в абсорбер, в результате чего электрон (красный кружок с белым контуром) увеличивает энергию и перераспределяет ее между соседними электронами (красные кружочки с минусами), один из которых туннелирует (это показано большой белой стрелкой). Поток таких «горячих» электронов создает измеряемый ток, и одновременно охлаждает наноабсорбер. Рисунок из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Communications Physics

Принцип работы таков: при попадании СВЧ-излучения, собираемого антенной, в абсорбер из «нормального» (несверхпроводящего) металла, его энергия поглощается электронами и перераспределяется между другими электронами «нормального» металла. Это означает, что температура электронного газа в абсорбере возросла. При низких температурах амплитуда колебаний атомов в кристаллической решетке (фононов) чрезвычайно мала, поэтому фононы слабо связаны с электронным газом, что обеспечивает сохранение энергии в электронной подсистеме. При поглощении сигнала средняя энергия электронов возрастает, а вместе с тем и возрастает их вероятность туннелирования в сверхпроводник.

Таким образом, за счет туннелирования «горячих» (высокоэнергетичных) электронов понижается температура электронного газа в абсорбере, поскольку остаются только «холодные» (низкоэнергетичные) электроны. Чтобы снизить возврат энергии от протуннелировавших горячих электронов в абсорбер, приводящий к дополнительному нагреву, используются специальные ловушки. А для уменьшения бездиссипативного двухэлектронного тока, основанного на так называемом андреевском отражении от границы сверхпроводника и нормального металла, также приводящего к дополнительному нагреву, используются гибридные структуры ферромагнетик/сверхпроводник в качестве «нормального» металла.

БХЭ производится в два этапа. Вначале при помощи лазерной литографии и электронно-лучевого напыления формируется золотой электрод антенны. Затем для изготовления болометров используется электронно-лучевая литография и электронно-лучевое напыление с применением техники теневого напыления.

В результате, за счет электронного охлаждения от базовой температуры 0,3 К до почти 0,1 К, удается существенно повысить чувствительность (L. S. Kuzmin et al., 2019. Photon-noise-limited cold-electron bolometer based on strong electron self-cooling for high-performance cosmology missions). Этим достигается нужный космологам результат: собственные шумы приемника становятся меньше шумов потока фотонов, которые надо зарегистрировать. Кроме того, болометры на холодных электронах имеют еще два важных преимущества. Во-первых, благодаря малым размерам болометров (площадь составляет несколько квадратных микрон) их можно помещать внутри антенны без использования длинных волноведущих линий, что уменьшает взаимовлияние соседних пикселей приемника (E. A. Matrozova et al., 2019. Absorption and cross-talk in a multipixel receiving system with cold electron bolometers). Во-вторых, можно изготавливать болометры с нанофильтром на чипе, что позволяет создавать многочастотные приемные пиксели (L. S. Kuzmin et al., 2019. Multichroic seashell antenna with internal filters by resonant slots and cold-electron bolometers).

Рис. 3. Слева: одиночный приемный пиксель, состоящий из 96 дипольных антенн с парой болометров на холодных электронах в каждой. Размер такого пикселя — 3×3 мм. Пиксель рассчитан на установку в раскрыв рупорной антенны. Справа: увеличенное изображение пары антенн. Стрелки указывают на болометры. Изображение из обсуждаемой статьи в Superconductor Science and Technology

Малый размер абсорбера и принципиальная развязка между электронной и фононной подсистемами, не только обеспечивают эффективное электронное охлаждение, но и приводят к рекордной радиационной стойкости таких приемников. На болометр будут действовать только космические лучи, которые прямо попадают в наноабсорбер, а его площадь чрезвычайно мала. Исследования одиночного пикселя БХЭ на радиационную стойкость в наземных условиях были проведены в Риме и было показано, что среднее время возникновения одного глитча должно иметь порядок одного месяца (M. Salatino et al., 2014. Sensitivity to Cosmic Rays of Cold Electron Bolometers for Space Applications). Для сравнения, у спутника «Планк» время между глитчами было порядка одной секунды из-за большой площади приемников. В прошлом году этот же образец БХЭ был протестирован на радиационную стойкость на борту стратосферного телескопа OLIMPO и за время измерений (около 10 часов) не было зафиксировано ни одного глитча, что соответствует предварительным оценкам радиационной стойкости БХЭ.^*

2,6-метровый телескоп OLIMPO в качестве основных приемников использовал детекторы на кинетической индуктивности (см. Kinetic inductance detector) и был предназначен для изучения свойств и эволюции Вселенной, прецизионных измерений космического реликтового излучения и его спектральной деформации в богатых скоплениях галактик (эффект Сюняева — Зельдовича). Он был запущен из аэропорта Лонгйира (Шпицберген) 14 июля 2018 года.

Рис. 4. Телескоп OLIMPO перед запуском. В середине стоит Сильвия Мази (Silvia Masi), крайний справа — Паоло де Бернардис (Paolo de Bernardis): руководители эксперимента OLIMPO и соавторы обсуждаемой статьи в Communications Physics. Фото с сайта stratocat.com.ar

Первоначально предполагалось, что после подъема на расчетную высоту (около 38 км) стратостат с телескопом будет двигаться вокруг северного полюса. Однако после того, как он пролетел над Гренландией и северными территориями Канады, компьютерные симуляции воздушных потоков в стратосфере стали показывать, что он с большой вероятностью будет еще сильнее отклоняться от запланированной траектории, поэтому было принято решение прекратить эксперимент. Телескоп отсоединился от стратостата и благополучно приземлился в районе национального парка Куттинирпаак 19 июля.

Описанные преимущества болометров на холодных электронах — эффективная работа без использования криостатов растворения за счет электронного самоохлаждения и рекордная радиационная стойкость — обещают хорошие перспективы использования этой технологии в последующих космических миссиях.

Источники:
1) 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. Photon-noise-limited cold-electron bolometer based on strong electron self-cooling for high-performance cosmology missions // Communications Physics. 2019. DOI: 10.1038/s42005-019-0206-9.
2) E. A. Matrozova, A. L. Pankratov, A. V. Gordeeva, A. V. Chiginev and L. S. Kuzmin. Absorption and cross-talk in a multipixel receiving system with cold electron bolometers // Superconductor Science and Technology. 2019. DOI: 10.1088/1361-6668/ab151d.
3) L. S. Kuzmin, A. V. Blagodatkin, A. S. Mukhin, D. A. Pimanov, V. O. Zbrozhek, A. V. Gordeeva, A. L. Pankratov and A. V. Chiginev. Multichroic seashell antenna with internal filters by resonant slots and cold-electron bolometers // Superconductor Science and Technology. 2019. DOI: 10.1088/1361-6668/aafeba.
4) Leonid Kuzmin. Story of the Invention of a Cold-Electron Bolometer. — популярный синопсис к обсуждаемой статье в Communications Physics.

Леонид Кузьмин, Андрей Панкратов

^* Этот абзац был исправлен 10.12.2019.