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 мм 2 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).

Похожие новости

  • 04/08/2017

    Новосибирские ученые исследуют новые типы волоконных лазеров для линий связи

    Ученые НГУ, выигравшие грант Российского научного фонда (РНФ), намерены создать новый тип волоконных лазеров для высокоскоростных линий связи. Успешная реализация проекта позволит применить разработанные лазеры в качестве задающих источников информационного сигнала в телекоммуникационных системах на основе суперканалов.
    299
  • 05/09/2017

    Терагерцовый лазер помог изучить нагревание кристаллов

    ​Ученые исследовали тепловые и световые искажения в кристалле при его взаимодействии с высокочастотным терагерцовым излучением. В результате было установлено, как в кристалле изменяется температура. Работа опубликована в журнале Laser Physics Letters.
    195
  • 18/11/2016

    «Швабе» создаст МИМ-340 для биомедицинских исследований

    Холдинг "Швабе" создаст биомедицинскую версию лазерного интерференционно-модуляционного микроскопа МИМ-340. Новый прибор будет на 15-20% дешевле российских и зарубежных аналогов. Работа будет проходить в тесном взаимодействии с потенциальными заказчиками.
    554
  • 14/11/2016

    Прорыв в науке совершит энергия молодых

    Где молодым учёным познакомиться и пообщаться с ведущими экспертами и руководителями фондов, буквально «варящимися» в сфере науки и инноваций? Например, на одном из главных мероприятий подобного рода – Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых учёных и специалистов по проблемам практической реализации разработок по приоритетным направлениям развития науки и технологий.
    862
  • 11/10/2016

    Алмазы, выращиваемые в ТПУ, могут быть использованы для Большого адронного коллайдера

    ​Ученые лондонского университета Роял Холлоуэй (Royal Holloway, University of London, RHUL) предложили разработать новые датчики для Большого адронного коллайдера на основе тонких алмазных пленок, выращиваемых в Томском политехническом университете.
    799
  • 01/08/2017

    В РФ создано акустоэлектронное устройство с диапазоном в два раза больше, чем у аналогов

    ​Исследователи из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Москве и Сибирского федерального университета (СФУ) создали эффективное акустоэлектронное устройство на основе синтетических алмазов, сообщила в понедельник пресс-служба СФУ.
    202
  • 12/10/2016

    Томские ученые испытывают новые стекла для космических спутников

    ​Сотрудники НИИ ПММ ТГУ проводят испытания покрытий, созданных для защиты иллюминаторов, линз и зеркал космических аппаратов от эрозии. При помощи легкогазовой баллистической установки экспериментальные образцы обстреливают микрочастицами порошка железа со скоростью 5-8 километров в секунду.
    903
  • 11/04/2017

    Томские ученые в ЦЕРНе сузили зону поиска частицы-посредника между видимой и невидимой Вселенной

    ​Ученым Физико-технического института Томского политехнического университета и их коллегам из Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) за год удалось примерно на 25% сузить зону поиска темного фотона — частицы-посредника между видимым миром и темной материей — невидимой частью нашей Вселенной, влияющей на движение звезд и галактик.
    328
  • 22/07/2017

    Российские ученые установили, что тип галактики зависит от массы черной дыры

    Созданная астрономами модель объяснила, как черные дыры массой в несколько тысяч раз больше массы Солнца могут существовать в центрах шаровых звездных скоплений. Исследование научной группы из Новосибирского государственного университета и Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ, поддержанное грантом Российского научного фонда, опубликовано в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
    252
  • 12/05/2016

    Российские физики смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах

    ​Физики из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов, Московского физико-технического института и Сибирского федерального университета смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах, на основе которых можно создать компактные и высокочувствительные датчики.
    771