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

  • 28/09/2018

    Физики обнаружили новый механизм генерации звука в жидкой комплексной плазме

    ​Физики из МГТУ имени Н.Э. Баумана совместно с российскими и зарубежными коллегами впервые исследовали термоакустическую неустойчивость, приводящую к генерации звука в жидкой комплексной плазме. Результаты показывают, что это новая неустойчивость в комплексной плазме, и аналогичные неустойчивости могут существовать во многих открытых и химически реактивных системах.
    122
  • 03/07/2018

    Последствия инфаркта миокарда предложили лечить генной терапией

    Российские ученые разработали новый метод генной терапии для лечения последствий инфаркта миокарда. Они предлагают доставлять в пораженные области сердца два гена: HGF и VEGF165. Они кодируют белки, которые помогают расти клеткам внутренней стенки сосудов и защищают клетки сердца от гибели при ишемии.
    199
  • 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.
    581
  • 15/01/2018

    Российские ученые выяснили, как способ обработки полипропилена влияет на механические свойства конечного изделия

    ​Коллектив учёных, в том числе из Института синтетических полимерных материалов РАН и МФТИ, выяснил, как «правильность» молекул полипропилена и способ обработки влияют на механические свойства конечного изделия.
    464
  • 16/01/2018

    Российские физики обнаружили у жидких кристаллов эффект памяти

    ​Сотрудники физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова совместно с российскими и зарубежными коллегами обнаружили эффект памяти в жидких кристаллах под действием сильных электрических полей. Результаты исследования были опубликованы в журнале Scientific Reports.
    713
  • 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.
    1001
  • 30/03/2018

    Российские ученые создали синтетический аналог «кожи хамелеона»

    Российские ученые приняли участие в разработке материала, который по мягкости приближается к человеческой коже, а по умению менять цвет напоминает кожу хамелеона. Он представляет собой полимер, состоящий из нескольких типов звеньев-мономеров, и может пригодится для создания биологического импланта.
    504
  • 15/12/2017

    Российские ученые исследовали взаимодействия одиночных импульсов

    ​Российские ученые изучили поведение одиночных импульсов волн - однократных возмущений, распространяющихся в пространстве или в среде, - при их столкновении в нелинейных средах. Результаты работы ученых из России и Швеции опубликованы в журнале Nonlinear Dynamics.
    652
  • 31/07/2018

    Пирамида Хеопса может концентрировать радиоволны

    ​Пирамида Хеопса может концентрировать электромагнитную энергию во внутренних камерах и фокусировать ее в пространство под своим основанием. К такому выводу пришли ученые, воздействовавшие на пирамиду радиоволнами, чтобы исследовать ее резонансный электромагнитный отклик.
    332
  • 29/12/2017

    Ученые разработали алгоритм для ДНК-оригами

    Международный коллектив российских и американских ученых предложил алгоритм компьютерного моделирования сложенных из ДНК трехмерных конструкций. Такие нанороботы могут использоваться в электронике и медицине, например, для доставки лекарств.
    503