Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1) Джозефсоновский переход, как пороговый детектор, исследуется в присутствии шума и слабого внешнего сигнала в рамках модели маятника https://doi.org/10.1016/j.chaos.2023.113506. Такие пороговые детекторы рассматриваются как потенциальные кандидаты в счетчики одиночных фотонов СВЧ-диапазона. Изучено комбинированное влияние шума и слабого периодического сигнала, чтобы найти оптимальный диапазон параметров порогового детектора на основе слабо демпфированного джозефсоновского перехода (детектор выхода Джозефсона). Мы продемонстрировали, что в пределе низких шумов сигнал может быть усилен с помощью механизма динамической резонансной активации, в то время как даже более слабые сигналы могут быть эффективно обнаружены с помощью шума благодаря механизму стохастической резонансной активации. Также проведена оптимизация параметров прототипа микроволнового счетчика одиночных фотонов на основе алюминиевого джозефсоновского перехода, экспериментально исследованного в нашей предыдущей работе https://doi.org/10.3762/bjnano.13.50. 2) Проведен теоретический анализ эффективности детектирования фотоноподобных импульсов на частотах порядка 10 ГГц джозефсоновским переходом с параметрами, доступными для алюминиевой технологии. Проведено численное моделирование динамики переключений перехода под воздействием переключающего импульса в рамках линейной резистивной модели джозефсоновского перехода. Фотон представлен в виде нарастающего и затем убывающего импульса внешнего тока. Энергия, потраченная на работу внешнего источника тока, генерирующего такой импульс, равна энергии фотона. Для сравнения с моделированием использованы экспериментальные данные образца, изготовленного по алюминиевой технологии методом теневого напыления. Определены времена между темновыми отсчетами, для которых переход чувствителен к одиночным фотонам. Рассмотрены способы повышения чувствительности. Исследована роль тепловых флуктуаций в трех каналах тока джозефсоновского перехода и показано, что при фиксированном токе смещения через переход самые большие колебания происходят в энергии сверхтока за счет того, что энергия флуктуаций объединяется с энергией внешнего источника тока. Найдена область параметров, в которой детектирование одиночных фотонов становится возможным при среднем времени жизни счетчика около 1 ms.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1) Cоздан прототип детектора одиночных фотонов микроволнового диапазона частот на основе джозефсоновского контакта, имеющий эффективность детектирования 40% при частоте темновых отсчетов менее 0.1 Гц на частоте 14 ГГц. Данный прототип детектора использовался для наблюдения одиночных микроволновых фотонов, излучаемых одномодовым и многомодовым тепловым источником - медной полостью, находящейся при различных температурах. Измеренная скорость регистрации фотонов детектором согласуется с уровнем теплового излучения мод микроволнового резонатора и точно соответствует ожидаемой температурной зависимости. Измеренный динамический диапазон детектора лежитв области значений от темновой скорости счета менее 0.1 Гц до диапазона кГц, и в настоящее время ограничен скоростью считывающей электроники. Показано, что тепловые фотоны имеют супер-Пуассоновскую статистику, что также является экспериментальным наблюдением квантового хаоса как собственной динамики тепловых фотонов. В перспективе данная работа показывает путь к изучению фундаментальных квантовых свойств теплового света и их использованию для изучения квантового хаоса. Само устройство - детектор одиночных фотонов ГГц диапазона частот - может найти множество применений, например, для поиска аксионов, кандидатов на роль частиц темной материи. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.10434 2) Проведены подробные измерения гистограмм токов переключений значительного числа джозефсоновских контактов в диапазоне температур 15 мК - 1К с целью определения оптимальных параметров для создания микроволновых однофотонных детекторов. Рассматривая возможность использования образцов джозефсоновских переходов с низким критическим током (до 70 нА), следует учитывать, что при температурах выше 50–70 мК стандартное отклонение значений тока переключения становится меньше, чем при температурах ниже 30 мК. Таким образом, измерения в области минимума стандартного отклонения могут улучшить энергетическое разрешение джозефсоновских переходов как однофотонных детекторов. Несмотря на то, что такие образцы могут обладать высокой чувствительностью к слабым сигналам, нормальное сопротивление, достигающее 3–4 кОм, затрудняет согласование антенны приемной системы детектора фотонов, поскольку сложнее спроектировать трансформатор импеданса для копланарной линии 50 Ом. Из-за низких критических токов образцов и малых низкочастотных шумов измеряемой установки удалось пронаблюдать сдвиг квантового кроссовера в область низких температур (до 30 мК). Также обнаружен кроссовер фазовой диффузии в недостижимой ранее области низких температур (до 100 мК). Самым впечатляющим наблюдением является конечный наклон «квантовой полки». Мы продемонстрировали, что это происходит из-за конечной рабочей температуры и остаточного вклада теплового шума в процесс туннелирования сквозь барьер. По результатам проведенных исследований, с точки зрения оптимальных параметров джозефсоновских переходов в качестве счетчиков одиночных фотонов можно заключить, что образцы с большим критическим током порядка 10 мкА и нормальным сопротивлением ~ 10 Ом плохо подходят для этой задачи. Учитывая довольно большую ширину распределения токов переключения, превышающую 15 нА, трудно контролировать ток питания джозефсоновских переходов, поскольку столь широкое распределение сравнимо с ожидаемым импульсом тока от фотона. Таким образом, показано, что алюминиевые образцы с критическими токами в диапазоне от 100 до 300 нА имеют оптимальные параметры, что согласуется с предыдущими теоретическими предсказаниями. По результатам выполнения данного пункта написана и принята к печати статья в журнале Chaos, Solitons and Fractals (Q1, IF=7.8), см. список публикаций в отчете по проекту. 3) Экспериментально показано, что характеристики порогового детектора, основанного на динамике переключения алюминиевых джозефсоновских переходов с относительно небольшими критическими токами, можно существенно улучшить за счет повышения рабочей температуры. Обнаружение одиночных фотонов частотой 5-10 ГГц может быть достигнуто даже при температурах близких к 1K. Это противоречивое наблюдение объясняется переходом динамики переключения в режим фазовой диффузии. Более того, разброс токов переключения (стандартное отклонение) в этом режиме становится меньше, чем наблюдаемое при самых низких температурах, где переключение определяется в первую очередь макроскопическим квантовым туннелированием. https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.04426 4) Отработаны технологии изготовления образцов джозефсоновских контактов с использованием технологического оборудования трех российских организаций: ИФМ РАН, ИНМЭ РАН и НГТУ им Р.Е. Алексеева. Показано, что в случае сверхпроводящих антенн из алюминия требуется изменение дизайна, так как частота резонанса смещается в сторону меньших частот из-за вклада кинетической индуктивности алюминиевых антенн: 1.5 ГГц вместо расчетных 14 ГГц. Антенны, изготовленные из нормальных металлов (титан/золото/палладий), демонстрируют хорошее совпадение с расчетами: 14,2 ГГц и 14 ГГц соответственно. Продемонстрирована работоспособность российских образцов при измерениях в криостате растворения.