1. Изобретена новая концепция параллельных/последовательных массивов болометров на холодных электронах. Концепция была разработана и испытана на постоянном токе и в оптических экспериментах. Эта концепция была изобретена для реализации в баллонном телескопе Бумеранг-3, возглавляемом Римским университетом.
Болометры для предыдущей миссии BOOMERanG-2 были изготовлены американской лабораторией JPL. Результаты BOOMERanG-2 по измерениям реликтового излучения были поставлены журналом Science на второе место в списке "10 достижений Десятилетия".
Позже лаборатория JPL отказалась от изготовления следующего поколения массивов болометров для новой миссии Бумеранг-3 и заказ болометров был переведен в группу Леонида Кузьмина.
2. Леонид Кузьмин и соавторы получили в 2012 г.премию ВанДузера (the 2011 IEEE Van Duzer Prize) за лучшую публикацию года - Mikhail A. Tarasov, Leonid S. Kuzmin, Valerian S. Edelman, Sumedh Mahashabde and Paolo de Bernardis "Optical Response of a Cold-Electron Bolometer Array Integrated in a 345-GHz Cross-Slot Antenna" IEEE Trans. Applied Superconductivity, vol. 21, pp. 3635 – 3639 (2011).
3. Изобретена новая концепция двумерных массивов наноболометров на холодных электронах со сдвоенной по поляризации перекрестно-дипольной антенной для одновременного измерения обеих компонент поляризации одним массивом болометров. Концепция дает возможность оптического согласования без внешних рупоров и линз и может быть согласована для считывания с высокоомным JFET усилителем, также как и низкоомным СКВИДом. Концепция может быть использована для новых высокочувствительных инструментов космологии: итальянского телескопа OLIMPO и российской космической обсерватории МИЛЛИМЕТРОН.
4. Изобретен резонансный болометр на холодных электронах (РБХЭ) с кинетической индуктивностью для нанофильтров из нитрида ниобия. Эта концепция является ключевым элементом в развитии нового поколения многочастотных систем для космического телескопа Европейского Космического Агентства COrE и других перспективных космических инструментов.
5. Нечувствительность БХЭ к космическим лучам.
БХЭ, согласованный с антенной, может стать поворотным пунктом в реализации следующего поколения болометров. Оказалось, что наиболее привлекательной и уникальной особенностью БХЭ является нечувствительность к космическим лучам из-за крайне малого объема наноабсорбера и из-за принципа развязки электронной и фононной подсистем. Действительно, влияние космических лучей очень сильно на воздушных шарах и космических телескопах и резко увеличивается (> 10 раз) при полетах вблизи полюсов Земли. Массивы БХЭ были протестированы на космические лучи с использованием специального оборудования в Римском университете. Последние тесты показали, что БХЭ нечувствительны к космическим лучам, т. к. время ожидания одного события — более 40 дней (для сравнения, частота возникновения отклика на космические лучи в телескопе Планк — 1 шт. / сек.). Такая нечувствительность БХЭ к космическим лучам делает его очень привлекательным для воздушных шаров и космических инструментов, особенно с большими фокусными пятнами, как для LSPE.
6. Измерен отклик на излучение абсолютно черного тела и шум болометров на холодных электронах. Было проведено сравнение экспериментальных результатов с теоретической моделью на основе двух уравнений теплового баланса.
Показано, что фотонный шум (шум принимаемого сигнала) превышает любые другие компоненты шума, что позволяет сделать вывод о том, что чувствительность болометров ограничена не собственным шумом болометров, а фотонным шумом. Кроме того, своеобразная форма зависимости шума от поглощенной мощности полностью берет свое начало от фотонной компоненты в соответствии с теорией. В дополнительном эксперименте при нагреве холодной плиты криостата вместе с держателем образца мы наблюдали слабую зависимость шума от электронной температуры абсорбера, что является другим доказательством наличия фотонного шума в первом эксперименте.
7. Изготовлен и протестирован одиночный пиксель для проекта OLIMPO для канала 350 ГГц на подложке 127 мкм (половина длины волны). Показано, что пиксель удовлетворяет всем требованиям Европейского космического агентства:
- эффективность поглощения сигнала 60% (должна быть не менее 50%),
- фотонный шум превышает шум болометров в 1,3 раза при поглощенной мощности 20 пВт и фононной температуре 310 мК,
- режим, ограниченный фотонным шумом, распространяется на весь диапазон поглощенных мощностей (от 10 до 32 пВт),
- болометры способны работать без насыщения до больших приходящих мощностей (в проведенных экспериментах до 53 пВт, но возможно и выше, если удастся создать еще большую оптическую нагрузку в эксперименте).
Таким образом, впервые в мире разработана, изготовлена и протестирована болометрическая приемная система, рассчитанная на большую принимаемую мощность и показывающая рекордную чувствительность (собственные шумы системы меньше шумов принимаемого сигнала - фотонных шумов) за счет эффекта электронного охлаждения. Система работает при электронной температуре примерно в 2 раза меньшей, чем фононная температура образца, и достигает предельных характеристик без рефрижератора растворения.
По этим результатам получен патент № 178649, а также опубликована статья в Communications Physics, новом журнале группы Nature.
Эта статья была выделена редакцией как одна из лучших статей года (Editor's Highlights) с вынесением рисунка из статьи на титульную страницу издания.
8. Исследовано электронное охлаждение в улучшенном дизайне болометров. Данный дизайн впервые применен в болометрах для проекта Олимпо. Его отличие от предыдущих дизайнов в том, что каждый СИН переход обладает двумя стоками для горячих электронов, вынесенных из абсорбера. Таким образом, горячие электроны, туннелировавшие из абсорбера в сверхпроводник, эффективно отводятся от туннельного перехода, предотвращая возврат тепла в абсорбер через фононы. Данная модификация позволила уменьшить долю тепла, возвращающегося в абсорбер, с 30%, наблюдавшихся в дизайне с одним стоком, до 6%. Как следствие, у новых болометров ниже электронная температура в рабочей точке, а значит чувствительность стала выше, что и подтвердилось в измерениях, показавших, что шум болометров стал ниже фотонного шума.
В дальнейшем, в новых дизайнах с использованием гибридных абсорберов сверхпроводник/ферромагнетик и ловушек горячих квазичастиц из нормальных металлов, поставлен мировой рекорд электронного охлаждения, с 300 до 65 мК и с 256 до 48 мК, в 5.3 раза. Эти результаты опубликованы в Scientific Reports.
9. Разработан уникальный счетчик фотонов на 14 ГГц для обнаружения галактических аксионов. Счетчик работает на основе джозефсоновских туннельных переходов и позволяет регистрировать фотоны с частотой 1 фотон в 3000 сек.
По сравнению со стандартным счетчиком на 2 мкм разрешение по энергии улучшено на 4 порядка — до примерно 7 йоктоджоулей. Предварительные результаты исследований, демонстрирующие среднее время между темновыми отсчетами в десятки секунд и квантование наклонов вероятности переключения опубликованы в Beilstein Journal of Nanotechnology и npj Quantum Information.
В текущей реализации, эффективность детектора превышает 45% при темпе ложных срабатываний менее 0.01 Гц. Это позволило зарегистрировать поток тепловых фотонов из резонатора и показать, что статистика фотонов является супер-Пуассоновской, что является проявлением квантового хаоса. Статья с описанием принципа работы детектора и его характеристик принята к печати в издании Nature Communications.
10. При участии нижегородских организаций, НГТУ и ИФМ РАН, осуществлен перенос технологии теневого напыления для изготовления туннельных наноструктур сверхпроводник/изолятор/нормальный металл из Чалмерского университета. С использованием данной технологии, изготовлены приемные системы на основе метаматериала из кольцевых антенн с болометрами на холодных электронах. Данная приемная система имеет рекордно широкую полосу приема от 150 до 550 ГГц и может быть использована для задач радиоастрономии. Преимуществом таких приемников является высокая чувствительность за счет эффекта электронного охлаждения, а также рекордная радиационная стойкость, что востребовано в космических миссиях и специальных приложениях. Статья с описанием характеристик приемников опубликована в Physical Review Applied.
