Далекая инфракрасная область спектра космического излучения (длины волн 0.1 ¸ 1 мм) представляет для астрономии особый интерес, поскольку содержит информацию о наиболее удаленных от нас (и наиболее “старых”) объектах. Исследование именно этого диапазона позволяет больше узнать о формировании галактик, звезд и планетарных систем. Однако инфракрасное излучение сильно поглощается атмосферой Земли, и поэтому телескопы нужно размещать за ее пределами – на искусственных спутниках, что довольно накладно. Но и в этом случае сигналы от далеких участков Вселенной оказываются очень слабыми.

На помощь астрономам пришли нанотехнологии. Используя последние достижения нанолитографии, ученые изготовили сверхчувствительный болометр, позволяющий регистрировать даже единичные инфракрасные фотоны. Принцип его действия проиллюстрирован на рисунке.

Основные конструктивные элементы сверхпроводникового болометра (вверху) и температурная зависимость сопротивления сверхпроводника в окрестности критической температуры (внизу)

Температура сверхпроводящего элемента болометра (в [1] – нанопровода Ti) соответствует примерно середине перехода (то есть его сопротивление R отлично от нуля, но меньше сопротивления R_n в нормальном состоянии), то поглощение даже одного фотона приводит к поддающемуся измерению увеличению R вследствие нагрева электронной подсистемы. При большой интенсивности излучения величина R быстро входит на константу (R_n). Если же “частота прибытия” фотонов достаточно низкая, то на зависимости R_n от времени наблюдаются последовательные пики, каждый из которых соответствует поглощению единичного фотона. С целью термической изоляции нанопровода контакты к нему изготавливались из ниобия. Сверхпроводниковые болометры использовались для регистрации единичных фотонов и раньше, но только в видимом диапазоне. Лишь уменьшение размеров сверхпроводниковых элементов до нанометрового масштаба позволило авторам [1] освоить и дальний ИК-диапазон. Вот так интересно устроена жизнь: “нано” помогает нам лучше понять “макро”.

Л. Опенов

• 1. J.Wei et al., Nature Nanotechnol. 3, 496 (2008)