Прототип устройства с рекордным сроком службы может помочь открыть новые горизонты в коммуникациях и вычислительных технологиях нового поколения
Международная команда исследователей из Шотландии, США и Японии разработала устройство, работающее на терагерцовых волнах. Оно было создано более 11 лет назад и до сих пор работает так же хорошо, как и в день изготовления.
Крошечное устройство-излучатель терагерцовых волн
Устройство размером с небольшую деталь, элементы которого меньше ширины человеческого волоса и могут питаться от одного вольта, может помочь преодолеть одну из ключевых проблем, сдерживающих широкое внедрение технологий терагерцовых волн.
Хотя технологии терагерцовых волн уже используются в таких секторах, как безопасность и досмотр, прототипы коммуникационных и вычислительных устройств показали потенциал для обеспечения выдающихся характеристик в контролируемых лабораторных условиях.
Команда объясняет исключительную долговечность устройства его специализированными технологиями изготовления и внутренней устойчивостью материалов. Устройство изготовлено из высокотемпературного сверхпроводника и состоит из атомарно тонких слоёв, разработанных для сохранения стабильности и устойчивости к деградации при воздействии воздуха или влаги.
Устройство содержит крошечные эллиптические полости со специальными свойствами, называемыми джозефсоновскими переходами. Они обеспечивают фазовую синхронизацию когерентной генерации и передачи терагерцовых волн.
В этой архитектуре излучаемые волны можно настраивать в широком диапазоне частот, от 100 ГГц до 1 ТГц, что обеспечивает мощную платформу для компактной и управляемой генерации терагерцовых сигналов.
Устройство сохраняет стабильную работу в экстремальных температурах, работая как сверхпроводник вблизи 90 К — значительно выше точки кипения жидкого азота (77 К) — при этом эффективно излучая когерентный свет до 60 К. Это позволяет использовать критически важные технологии при значительно сниженных затратах.
Доктор Кавех Дельфаназари из Школы инженерии Джеймса Уатта Университета Глазго является руководителем проекта и автором соответствующей статьи, опубликованной в журнале Physical Review Applied.
Исследование стерильных нейтрино
Нейтрино, хотя и почти невидимы, являются одними из самых многочисленных частиц материи во Вселенной. Стандартная модель признаёт три типа, но открытие нейтринных осцилляций показало, что они имеют массу и могут менять свою идентичность при распространении.
Десятилетиями экспериментальные аномалии наводили на мысль о существовании четвёртого, «стерильного» нейтрино, которое взаимодействует ещё слабее. Его обнаружение изменило бы наше понимание физики элементарных частиц.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, коллаборация KATRIN представляет наиболее точный прямой поиск стерильных нейтрино посредством измерений β-распада трития.
Эксперимент KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino), построенный для определения массы нейтрино, измеряет энергетический спектр электронов, испускаемых при β-распаде трития. Если бы существовало дополнительное стерильное нейтрино, оно время от времени испускалось бы при распаде, создавая характерное искажение или «перегиб» в энергетическом спектре электронов.
С 2019 года KATRIN измеряет спектр β-распада трития с беспрецедентной точностью, ища небольшие отклонения, особенно характерный перегиб, ожидаемый от стерильного нейтрино.
Новый выпуск Nature представляет наиболее чувствительный на сегодняшний день поиск стерильных нейтрино с использованием β-распада трития. KATRIN собрал 36 миллионов электронов за 259 дней с 2019 по 2021 год и сравнил их с моделью β-распада, достигнув точности измерений менее одного процента. Никаких признаков стерильного нейтрино обнаружено не было.
Результат исключает большую область пространства параметров, предложенную более ранними аномалиями: небольшие, но значительные дефициты, наблюдаемые в экспериментах с реакторными нейтрино и галлиевыми источниками, намекали на существование четвёртого нейтринного состояния. Он также полностью опровергает утверждение эксперимента Neutrino-4, который сообщал о доказательствах такого сигнала.
Благодаря отличному соотношению сигнала и фона, обеспечивающему почти полное обнаружение электронов, полученных в результате β-распада трития, KATRIN достигает удивительно чистых измерений спектральной формы. В отличие от экспериментов по осцилляциям, которые изучают, как нейтрино меняют вкус после прохождения некоторого расстояния, KATRIN исследует распределение энергии в точке создания.
Опираясь на различные методы обнаружения, два подхода дополняют друг друга и вместе обеспечивают мощный тест, который опровергает гипотезу о стерильных нейтрино.
«Наш новый результат полностью дополняет реакторные эксперименты, такие как STEREO», — объясняет Тьерри Лассер (Институт ядерной физики Общества Макса Планка) в Хайдельберге, который руководил анализом. «В то время как реакторные эксперименты наиболее чувствительны к расщеплению масс стерильных и активных частиц ниже нескольких эВ², KATRIN исследует диапазон от нескольких до нескольких сотен эВ². Вместе два подхода теперь последовательно исключают лёгкие стерильные нейтрино, которые могли бы заметно смешиваться с известными типами нейтрино».
С продолжающимся сбором данных в 2025 году чувствительность KATRIN ещё больше возрастёт, что позволит проводить ещё более строгие поиски лёгких стерильных нейтрино.
«К завершению сбора данных в 2025 году KATRIN зафиксирует более 220 миллионов электронов в интересующей области, увеличив статистику более чем в шесть раз», — говорит соавтор-спикер Катрин Валериус (KIT). «Это позволит нам расширить границы точности и исследовать углы смешивания ниже существующих пределов».
В 2026 году в эксперимент KATRIN будет внедрён детектор TRISTAN, способный записывать полный спектр β-распада трития с беспрецедентной статистикой. Обходя основной спектрометр и измеряя энергию электронов напрямую, TRISTAN сможет исследовать гораздо более высокие массы стерильных нейтрино.
«Эта установка следующего поколения откроет новое окно в диапазон масс в кэВ, где стерильные нейтрино могут даже формировать тёмную материю Вселенной», — говорит соавтор-спикер Сюзанна Мертенс (Институт ядерной физики Общества Макса Планка).
published in Physical Review Applied.»,»He said, \»One of the key challenges of developing terahertz-wave technologies for critical technologies, like communications and quantum computing, is ensuring device stability, efficiency, and longevity. Prototype devices often last for only a single measurement cycle, but what we have achieved here is a device that has outlasted the spectrometer and PC used for its initial tests, more than a decade ago.»,»\»What we’ve been able to demonstrate in this paper is a device that has retained full functionality after more than a decade in storage—outlasting even the spectrometer and PCs used for its initial tests in the mid-2010s. Its reliable performance under low-power and cryogenic conditions makes it suitable for a range of applications, from space-based and mid-range free-space communications to the supercooled environments required by quantum computing chips.»,»\»We are now building on this prototype to develop even more robust terahertz devices, with potential applications in commercial communications, computing and sensing technologies in the years to come.\»»,»Mingqi Zhang, a Ph.D. student at the University of Glasgow’s James Watt School of Engineering, is the paper’s first author. Researchers from the University of Tsukuba in Japan and the University of Central Florida in the U.S. contributed to the research and co-authored the paper.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Glasgow\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник