Прибор ночного видения стал деталью для космических технологий

Наука и жизньHi-Tech

Новая жизнь фотокатода

Привычный прибор ночного видения позволил новосибирским физикам создать первые в мире источник спин-поляризованных электронов на основе фотокатода и спиновый триод, а также уникальные фотоприёмники для отечественного космического проекта «Спектр-УФ».

Доктор физико-математических наук Олег Терещенко, профессор РАН, заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН. Материал подготовила Наталия Лескова.

Фотокатоды цезий-йод — ключевая часть электронно-оптических преобразователей для «глаз» обсерватории «Спектр-УФ». Фото Надежды Дмитриевой

Современная полупроводниковая электроника, в середине XX века пришедшая на смену вакуумным электронным лампам, привела к огромным достижениям и дала нам массу возможностей. Однако уже достаточно давно стало понятно, что её прогресс не бесконечен. Рано или поздно, а точнее уже скоро, она подойдёт к своему пределу. Но что придёт ей на смену? В 1980-х годах появились полупроводниковые устройства с вакуумным зазором вместо диэлектриков. Это даже породило выражение «Back to the Future» («назад в будущее»). Примерно в то же время родилась и спинтроника, активно развиваемая последние 30 лет (см. статью: А. Понятов «Спин: ориентация в будущее»,«Наука и жизнь» № 4, 2016 г. — Прим. ред.). Дело в том, что электрон помимо таких интуитивно понятных характеристик, как масса и заряд, обладает спином — собственным магнитным моментом. Одна из основных задач спинтроники — научиться управлять электронами через их спин. Расчёты показывают, что это должно быть значительно менее энергозатратно и гораздо быстрее, чем в традиционной полупроводниковой электронике, основанной на управлении зарядом. Наша научная группа сумела объединить эти два подхода и начала развивать новое направление, которое назвали вакуумной спинтроникой. А оттолкнулись мы от уже привычного фотокатода, основного элемента, например, такого устройства, как прибор ночного видения.

Работа многих фотоэлектронных приборов связана с фотоэффектом — хорошо известном из школьного курса физики физическом явлении, объяснённом Эйнштейном, за что он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 году. Внешний фотоэффект состоит в том, что фотоны вырывают с поверхности металла или полупроводника электроны, и таким образом те становятся свободными. Почти вся физика приборов, о которых мы будем говорить, основана на этом эффекте для полупроводников. В случае вакуумных приборов электроны из фотокатода выбрасываются в окружающий вакуум.

Сложность в том, что не так просто вырвать электрон из твёрдого тела, необходимо преодолеть работу выхода материала. А для этого требуется относительно большая энергия — 5—6 электронвольт (эВ), что соответствует ультрафиолетовому излучению. Отчасти по этой причине в нашей обыденной жизни практически отсутствуют свободные электроны — электронный газ. Для значительного снижения работы выхода и получения эффективного фотоэмиттера (в идеале на каждый поглощённый фотон из него должен вылетать электрон) на поверхность полупроводника наносят или адсорбируют буквально один монослой электроположительных атомов щелочных металлов, толщина которого составляет всего 1 нанометр.

Если мы уменьшаем работу выхода материала, снижая тем самым барьер для выхода электронов, то сможем выбивать электроны из вещества, облучая его фотонами гораздо меньшей энергии, более длинноволновым излучением. В результате получается довольно эффективно вырывать электроны, освещая полупроводниковый катод излучением с длинами волн в диапазоне 700—900 нм (это соответствует энергии фотона 1,4—1,7 эВ), то есть инфракрасным излучением, которое наш глаз не воспринимает. Напомню, что наш глаз чувствителен к длинам волн в диапазоне 400—700 нм. Далее приложенная разность потенциалов, как в телевизорах с кинескопом, направляет вырванные электроны на люминофорный экран, что позволяет увидеть картину, создаваемую инфракрасным излучением. Так работает прибор ночного видения, или, как его ещё называют, электронно-оптический преобразователь.

В каком-то смысле мы провели «конверсию» и сделали на основе прибора ночного видения два типа приборов, которые можно отнести к области спинтроники, — это вакуумный спиновый диод и спиновый триод.

Если создать поток электронов с одинаково ориентированным спином, то этот поток электронов будет называться спин-поляризованным. Такой поток можно создать, например, освещая полупроводниковый фотокатод поляризованным светом, фотонами, которые имеют определённую круговую поляризацию. Три года назад нам удалось открыть новый эффективный источник спин-поляризованных электронов на основе мультищелочного фотокатода (Na2KSb)*. Следующим шагом нам нужно было научиться эффективно детектировать спин электрона, а для этого необходим спин-детектор.

*Phys. Rev. Lett 129, 166802 (2022).

Красивой идеей оказалась возможность создания детектора, по устройству такого же, как источник спин-поляризованных электронов. Это позволяет симметрия относительно обращения времени уравнений Шрёдингера и Максвелла, которые описывают электрон и его взаимодействия: если обратить время, то есть направить электрон обратно в фотокатод, то этот электрон рано или поздно рекомбинирует с дыркой и высветит фотон, который будет иметь поляризацию электрона. А по измерению поляризации фотонов мы сможем сказать о поляризации электронов.

Но затем мы придумали значительно более стабильный и удобный в использовании спин-детектор**. Нам удалось сделать спин-фильтр, который представляет собой очень тонкую ферромагнитную плёнку, фактически это наномембрана толщиной всего от 3 до 5 нанометров. Если намагнитить эту ферромагнитную наномембрану в определённом направлении, то её прохождение оказывается разным для электронов с разной поляризацией (спином). В результате проходят только те электроны, поляризация которых совпадает с направлением намагниченности ферромагнитной наномембраны. То есть при прохождении такой плёнки поляризованными электронами происходит их фильтрация по спину. Это очень похоже на работу оптического линейного поляризатора. Например, в повседневной жизни мы сталкиваемся с этим явлением, используя поляризационные очки. Электрон, в отличие от фотонов, не поглощается, он есть всегда (за исключением случаев, когда мы имеем дело с физикой высоких энергий). Но аналогия с оптикой тут напрашивается.

**Phys. Rev. Lett 134, 157002 (2025).

В конечном счёте измеряется ток прошедших электронов и, таким образом, получается спин-детектор. Причём это первое в мире устройство, в котором детектирование спина электронов осуществляется с помощью их фильтрации через наномембрану. Кроме того, это и первый в мире спин-детектор с пространственным разрешением, в котором возможна передача изображения в поляризованных электронах, что позволяет собрать на несколько порядков больше информации в единицу времени. Эффективность нашего прибора значительно выше, чем у других существующих детекторов спина электронов, а срок службы дольше — годы.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Космическая пыль в междупланетном пространстве Космическая пыль в междупланетном пространстве

Наука в годы войны: астроном Фесенков об астероидах и космической пыли

Наука и жизнь
Чем ты это сказала? Чем ты это сказала?

Кто говорит с нами из колонок?

Men Today
Пять мифов о кондиционерах Пять мифов о кондиционерах

Из-за каких мифов многие по старинке боятся кондиционеров?

Здоровье
Евпатория Евпатория

Евпатория — город, существующий во многих измерениях

Знание – сила
Что будет в небе после МКС Что будет в небе после МКС

Через пять лет над Землёй будут работать станции разных стран, а не одна МКС

Монокль
Как написать в Ватсап без добавления контакта Как написать в Ватсап без добавления контакта

Разберем, написать в Ватсап без добавления номера в телефонную книгу

CHIP
Детектор дипфейков Детектор дипфейков

В России появится сервис для маркировки ИИ-контента и его выявления

Ведомости
Почему скрипят тормоза у машины и что с этим делать Почему скрипят тормоза у машины и что с этим делать

Почему возникает скрип тормозов и когда он действительно требует внимания

РБК
Не боги горшки обжигают: за что мы благодарны Михаилу Горшеневу из «Короля и Шута» Не боги горшки обжигают: за что мы благодарны Михаилу Горшеневу из «Короля и Шута»

Семь вещей, за которые стоит поблагодарить Михаила Горшенева

Правила жизни
«Тест на старика»: а вы сможете его пройти? «Тест на старика»: а вы сможете его пройти?

Если у вас есть пять минут, предлагаем испытать свои силы в тесте на старика

Maxim
Исследование показало, что социальное дистанцирование не защищает от инфекций Исследование показало, что социальное дистанцирование не защищает от инфекций

Социальное дистанцирование не защищает от инфекций. А что защищает?

ТехИнсайдер
Чтобы изучать Вселенную, надо выходить в космос Чтобы изучать Вселенную, надо выходить в космос

Институт астрономии РАН запустит УФ-обсерваторию и создаст лунную базу

Наука и жизнь
Возможно, у вас уже все есть: разбор гардероба в 4 простых правилах Возможно, у вас уже все есть: разбор гардероба в 4 простых правилах

Почему бы не заняться разбором гардероба прямо сейчас?

Правила жизни
Почему ругать собаку бесполезно: эту ошибку допускает каждый второй хозяин Почему ругать собаку бесполезно: эту ошибку допускает каждый второй хозяин

Как себя вести, если ваша собака в чем-то провинилась?

ТехИнсайдер
Нефть, газ и будущее Нефть, газ и будущее

Стремление заглянуть в будущее — неотъемлемая часть человеческой натуры.

Ведомости
Самое голодное место в мире: что происходит в секторе Газа и можно ли это исправить Самое голодное место в мире: что происходит в секторе Газа и можно ли это исправить

Рассказываем, что происходит в Газе с продовольствием и что к этому привело

Forbes
Мост – это мир со своими законами Мост – это мир со своими законами

Наш сегодняшний разговор – не о фантастике, а о фантастических мостах

Знание – сила
Трагическая история Одри Мэнсон, первой американской супермодели Трагическая история Одри Мэнсон, первой американской супермодели

Путь первой американской супермодели Одри Мэнсон к славе

ТехИнсайдер
Крепкий иммунитет к переменам: почему мы сопротивляемся новому и как это изменить Крепкий иммунитет к переменам: почему мы сопротивляемся новому и как это изменить

Как работает психологический механизм под названием «иммунитет к переменам»

Forbes
Злая шутка эволюции: почему птица додо совсем не такая, какой мы ее знаем Злая шутка эволюции: почему птица додо совсем не такая, какой мы ее знаем

Что мы знаем о дронте? Меньше, чем о мамонтах

ТехИнсайдер
Саша Золотовицкий: Я борец за иронию и прикол Саша Золотовицкий: Я борец за иронию и прикол

Саша Золотовицкий — о том, в чем разница между абсурдом и безумием в театре

Ведомости
Почему поколение Z уходит из корпораций и выбирает франшизы Почему поколение Z уходит из корпораций и выбирает франшизы

Почему зумеры выбирают вместо корпоративной стабильности предпринимательство?

Forbes
Как отели используют TikTok и Reels для продаж — и зачем делают из горничных инфлюенсеров Как отели используют TikTok и Reels для продаж — и зачем делают из горничных инфлюенсеров

Reels и TikTok могут продать отель не по цене, а по ощущению

Inc.
Поп-культура Поп-культура

От биологии до поп-культуры: почему женские ягодицы стали фетишем?

Men Today
Жабрей и зябра, они же пикульники Жабрей и зябра, они же пикульники

Пикульники — настоящие джентльмены среди растения, хотя и каждый со своим нравом

Наука и жизнь
У истоков времени: старейшие часовые заводы мира, которые существуют до сих пор У истоков времени: старейшие часовые заводы мира, которые существуют до сих пор

Самые известные и самые опытные часовые заводы мира

ТехИнсайдер
«Жизнь на каторге несладка»: мемуары женщин, которые прошли через ГУЛАГ «Жизнь на каторге несладка»: мемуары женщин, которые прошли через ГУЛАГ

Forbes Woman рассказывает о пяти книгах женщин — заключенных сталинских лагерей

Forbes
Пора в дорогу, старина: 7 книг, которые помогут настроиться на путешествие Пора в дорогу, старина: 7 книг, которые помогут настроиться на путешествие

Подборка книг о разных городах, заповедных местах и самой сути туризма

Правила жизни
Животные Камчатки и трудничество на Валааме: где в России есть волонтерские программы Животные Камчатки и трудничество на Валааме: где в России есть волонтерские программы

Волонтерские программы в России: от Камчатки до Санкт-Петербурга

Forbes
5 фактов из истории пива, которые вы скорее всего не знали 5 фактов из истории пива, которые вы скорее всего не знали

Что пили российские императоры и кто придумал пиво со вкусом борща?

Maxim
Открыть в приложении