Цивилизация
Сотрудники Московского педагогического государственного университета создали компактную микросхему, которая детектирует одиночные фотоны — кванты света — и определяет состав света. Такие детекторы могут применяться в медицине и в системах безопасности. Исследование было поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ), а его результаты были опубликованы в журнале Optica и представлены на 13 Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости в Женеве.
Ученые разработали интегральную микросхему — основной элемент однофотонного спектрометра, который позволяет детектировать одиночные фотоны в широком диапазоне длин волн и анализировать спектральный состав света. Это неразборная пластина, в которую сразу встроены и соединены между собой все части.
Ученые отмечают, что область применения таких миниатюрных спектрометров широка. С их помощью можно определять наличие как запрещенных веществ и оружия в аэропортах и общественных местах, так и патологий в организме человека. Такая микросхема будет определять заболевания, регистрируя инфракрасные фотоны, испускаемые телом человека. Это позволит заменить томографию, в которой используется рентгеновское излучение, опасное для человека.
Фотоны попадающего на устройство света распределяются по отдельным оптическим каналам — проводникам фотонов — в детектор. В каждый канал интегрированы сверхпроводниковые однофотонные нанодетекторы. Подсчитывая количество фотонов в каждом канале, можно восстановить спектральный состав падающего излучения. Уникальность разработанных спектрометров, способных регистрировать одиночные фотоны, состоит в том, что можно определить не только спектральный состав света, но и время прихода фотонов с довольно высокой точностью. В таких спектрометрах используются сверхпроводниковые детекторы, что делает устройства бесшумными. Отсутствие шумов позволяет ученым анализировать свет от ультраслабых оптических источников, недоступных для измерения обычными средствами.
«Готовое устройство на чипе занимает площадь всего 2 мм2 и имеет эффективность около 20%. Такая эффективность обычному человеку кажется низкой, потому что на детектор падает сто фотонов, а мы меряем 20, но для такого рода приборов это хороший результат, который к тому же может быть значительно улучшен в будущем. Также мы продемонстрировали два типа интегральных устройств для видимого и инфракрасного диапазона длин волн», — рассказал один из авторов статьи Александр Корнеев, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Московского педагогического государственного университета.
Также эти спектрометры могут применяться в динамической микроскопии молекул и исследовании их межклеточной активности, что является актуальной задачей современной биомедицинской науки. Новые микросхемы позволят выявлять процессы, происходящие в межклеточном пространстве, прогнозировать их и предлагать способы управления ими.
«Предложенная технология позволяет говорить о первом успешном этапе развития интегральных квантово-оптических микросхем, где на одном чипе размещаются все оптические компоненты, выполняющие обработку сигналов, оперируя непосредственно квантами света. Такая технология также применима для создания квантового оптического компьютера, обещающего в ряде задач значительное повышение скорости и объема вычислений», — заключил ученый.
Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Высшей школы экономики, Московского физико-технического института, Технологического института Карлсруэ (Германия), Вестфальского университета имени Вильгельма (Германия) и из Института прикладной физики твердого тела Фраунгофера (Германия).
