Многие важные открытия в физике и астрономии зависят от регистрации едва обнаруживаемого электрического сигнала в микроволновом режиме. Знаменитым примером этого было открытие космического фонового излучения, которое помогло подтвердить теорию Большого взрыва.
Другой пример — обнаружение данных с научных инструментов в космических полетах на пути к далеким планетам, астероидам или кометам.
Слабые микроволновые сигналы обнаруживаются малошумящими усилителями на базе транзисторов. Исследователи из Технологического университета Чалмерса оптимизировали транзисторы из фосфида индия, используя для этой цели специальный процесс.
Компания, дочерняя из Chalmers, Low Noise Factory, разрабатывает и упаковывает схемы усилителя.
«Охлаждение усилительных модулей до -260 градусов Цельсия позволяет им работать с максимально возможным сегодня отношением сигнал / шум», — говорит Ян Гран, профессор микроволновых технологий в Chalmers. «Эти передовые криогенные усилители имеют огромное значение для обнаружения сигналов во многих областях науки, от квантовых компьютеров до радиоастрономии."
Используя комбинацию измерений и моделирования, исследователи исследовали, что происходит, когда микроволновый транзистор охлаждается до одной десятой градуса выше абсолютного нуля (-273 градуса по Цельсию).
Считалось, что шум в транзисторе ограничивается так называемыми горячими электронами при таких экстремальных температурах. Однако новое исследование показывает, что шум фактически ограничен самонагревом транзистора.
Самонагревание связано с излучением фононов в транзисторе при очень низких температурах. Фононы — это квантовые частицы, которые описывают теплопроводность материала. Результаты исследования основаны на экспериментальных измерениях шума и моделировании фононов и электронов в полупроводниковом транзисторе при низких температурах.
«Исследование важно для фундаментального понимания того, как транзистор работает при температуре, близкой к абсолютному нулю, а также того, как нам следует разработать еще более чувствительные малошумящие усилители для будущих детекторов в физике и астрономии», — объясняет Ян Гран.
Исследование было проведено в рамках международного обмена между Технологическим университетом Чалмерса в Швеции и Калифорнийским технологическим институтом. Соавторы — Университет Саламанки и шведская компания Low Noise Factory.
Исследование проводилось в Центре Гигагерц, совместном предприятии Chalmers, исследовательских институтов, партнеров компании и Государственного агентства Швеции по инновационным системам (Виннова).