В Астрокосмическом центре ФИАН (АКЦ ФИАН) совместно с коллегами из Московского Государственного Педагогического Университета (МПГУ) разработали новый класс смесителей для приемников терагерцового излучения. По своим основным характеристикам – шумовой температуре и диапазону полосы промежуточных частот, полученные смесители значительно опережают существующие аналоги. Свое применение они могут найти в устройстве космических телескопов, работающих в ТГц-диапазоне.

Первый телескоп, принимающий излучение терагерцового диапазона был установлен в 2005 году на высокогорном плато Атакама в чилийских Андах. А уже в 2009 году была запущена космическая обсерватория «Гершель», также анализирующая космическое излучение терагерцового диапазона. Россия планирует запуск собственного космического проекта со схожими функциями «Миллиметрон» к 2018 году, его разработка осуществляется в АКЦ ФИАН.

Причина все возрастающего внимания к субмиллиметровым длинам волн достаточно проста – более половины космического излучения лежит именно в этом диапазоне.

Комментирует один из разработчиков, кандидат физико-математических наук Матвей Финкель:

«В терагерцовом диапазоне находятся несколько ключевых для астрономии и астрофизики молекулярных и ионных линий. Зная с достаточной точностью их интенсивность и доплеровский сдвиг частоты, можно изучать самые различные химические и физические характеристики. Так, например, области образования новых звёзд – протозвёздные диски, скрыты плотными газопылевыми облаками. Только излучение терагерцового диапазона способно проникать сквозь эти облака, доставляя, например, информацию о плотности, температуре или скорости участвующего в звёздообразовании вещества».

Для детектирования излучения терагерцового диапазона используют приемники на основе смесителей – сверхпроводящих болометров с электронным разогревом. В самом примитивном случае болометр – это очень тонкая металлическая пластинка. При облучении светом она незначительно нагревается, что приводит к повышению электрического сопротивления, которое фиксируется измерительной системой. Обычный болометр – медленный прибор, поэтому при его использовании в качестве смесителя принимаются специальные меры для его ускорения и расширения полосы промежуточных частот. Так научная группа ФИАН-МПГУ разрабатывает и исследует низкотемпературные сверхпроводящие болометры.

Принцип действия у них схожий – только температура пластины поддерживается на уровне нескольких кельвинов, а ее характерные размеры составляют десятки нанометров. Незначительный нагрев такой пластины приводит к резкому появлению сопротивления и переходу из сверхпроводящего в обычное состояние. В результате болометры обладают повышенной чувствительностью и менее подвержены тепловым шумам.

Основными характеристиками смесителей можно назвать полосу промежуточных частот и шумовую температуру. В конечном счете, обе они определяют эффективность работы телескопа. Например, чем шире полоса промежуточных частот, тем больший объем информации может быть исследован, – из-за эффекта доплеровского смещения учёным не всегда точно известно, на каких частотах будут лежать интересующие их спектральные линии. Шумовую же температуру при конструкции приемников, напротив, стараются снизить.

«Для заданной чувствительности время накопления квадратично зависит от шумовой температуры. Поэтому, чем меньше шумовая температура – тем эффективнее расходуется наблюдательное время телескопа и тем более слабые сигналы от удалённых объектов можно наблюдать. Для уменьшения шумовой температуры главное не снизить тепловые шумы – они и так уже довольно низкие, порядка 5–10 К, а уменьшить потери полезного сигнала, которые в значительной степени зависят от качества контактов между антенной и сверхпроводником».

Смеситель, описанный в работе, обладает уникальными характеристиками – рекордно низкой шумовой температурой 600 К в широком диапазоне промежуточных частот 1–7 ГГц. Для сравнения, аналогичные характеристики гетеродинного приемника на борту «Гершеля» составляют 900 К и 3,5 ГГц. Достигнуть таких уникальных результатов удалось за счет нескольких новаторских решений. Так, исследователями была подобрана оптимальная толщина сверхпроводящей пластины NbN (основы смесителя) в 3.5 нм. Такая толщина вместе с субмикронными размерами болометра помогает комбинировать два механизма охлаждения горячих электронов – за счет электрон-фононного взаимодействия в объеме пластины и диффузии электронов в контакты пластины с антенной. А уже от скорости охлаждения напрямую зависит полоса промежуточных частот смесителя и шумовая полоса всего приёмника в целом.

Кроме того, исследователями была разработана уникальная методика создания смесителей.

«Впечатляющие результаты стали возможными благодаря разработке технологии изготовления смесителей с нанесением золотого покрытия in situ. Сразу после осаждения нитрида ниобия, что происходит в условиях глубокого начального вакуума и атмосфере инертного газа, осаждается слой золота, который закрывает ультратонкую плёнку нитрида ниобия от внешних воздействий. Но чтобы получить рабочий смеситель необходимо активную область плёнки освободить от золота. Мы это делаем путем последовательных процессов ионного и селективного химического травления. При этом контакты золотой антенны с активным мостиком из NbN получаются практически идеальными, никак не препятствуя ни протеканию электрического тока, ни передаче тепла электронами от мостика NbN к золоту антенны», – рассказывает Матвей Финкель.

Рис. 1. Слева изображена часть чипа смесителя со спиральной антенной и смесительным элементом в центре. Изображение полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Справа дано увеличенное изображение активного участка плёнки NbN (смесительного элемента).

Болометры на эффекте электронного разогрева также используются для создания терагерцовых тепловизоров, систем получения изображения, которые выгодно отличаются от рентгена безопасностью, а от ИК-тепловизоров – мощностью.

Выход статьи с подробным рассмотрением результатов намечен на ближайшие время. Выход статьи с подробным рассмотрением результатов намечен на ближайшие время. Краткое изложение работы можно найти в журнале Applied Physics Letters.