В глубине криостата, под слоями сверхпроводящих катушек, лежит стопка из сотен полупроводниковых слоёв. Каждый слой толщиной в несколько нанометров: арсенид галлия, затем арсенид алюминия-галлия. Электроны внутри этих слоёв заперты в плоскости, как муравьи на листе бумаги. Когда магнитное поле достигает 36 тесла, стопка начинает вести себя как радиоприёмник, настроенный на частоту, которую не слышит ни один обычный детектор. Это не метафора: физика процесса именно такова. Аксион, проходя через магнитное поле, превращается в фотон. Задача детектора — услышать этот шёпот среди шума.
Аксион — гипотетическая частица, кандидат в тёмную материю, то самое невидимое вещество, которое удерживает галактики вместе. Его масса, по расчётам, лежит в диапазоне от долей до нескольких миллиэлектронвольт. Один миллиэлектронвольт — это примерно одна двухсотмиллиардная массы электрона. Чтобы поймать такую частицу, нужен резонатор, настроенный точно на её частоту. Обычные микроволновые полости, как в эксперименте ADMX, работают отлично, но только до частот в несколько гигагерц. Аксиону с массой 1 мэВ соответствует частота около 242 ГГц — это уже терагерцовый диапазон, где полости теряют свою остроту.
Здесь и выходит на сцену стопка квантовых ям. В сильном магнитном поле электроны в ямах начинают двигаться по кругу с циклотронной частотой. Эта частота зависит от магнитного поля и эффективной массы электрона. Если наклонить образец, нормальная компонента магнитного поля меняется, и циклотронная частота сдвигается. Так, простым поворотом на доли градуса, можно перестраивать резонансную частоту детектора. Аксионное поле, взаимодействуя с магнитным полем через обратный эффект Примакова, индуцирует в среде электрическое поле. В точке эпсилон-близко-к-нулю, когда диэлектрическая проницаемость почти ноль, это поле усиливается в десятки и сотни раз. Сигнал излучается с поверхности резонатора и фокусируется на квантово-точечный фотодетектор — сверхчувствительный датчик одиночных фотонов.
Расчёты для трёх эталонных конфигураций показывают: коэффициент усиления сигнала достигает 70–390. При времени накопления 300 дней широкий скан способен достичь чувствительности к константе аксион-фотонной связи около 5×10⁻¹⁴ ГэВ⁻¹ для масс 0.6–5 мэВ. Это превосходит текущие ограничения эксперимента CAST. Оптимистичная конфигурация вплотную подходит к полосе теоретически предпочтительных КХД-аксионов, моделям DFSZ и KSVZ. Тот же детектор без изменений ищет тёмные фотоны с кинетическим смешиванием χ > 6×10⁻¹⁶ в том же диапазоне масс.
Будущее этого подхода — в масштабировании. Полупроводниковая технология зрелая: молекулярно-лучевая эпитаксия позволяет выращивать структуры с рекордной подвижностью электронов. Магниты на 36 тесла уже существуют, а на 50 тесла — в разработке. Ближайший шаг — изготовить прототип многослойной структуры толщиной в несколько миллиметров и проверить резонансный отклик в реальном магните. Параллельно можно улучшать квантово-точечные фотодетекторы, снижая темновой счёт до микрогерц. Машинное обучение поможет оптимизировать дизайн многослойных структур с тысячами слоёв для максимального усиления сигнала.
Радиоприёмник, настроенный на шёпот невидимого поля, уже стоит на пороге. Его антенна — стопка полупроводниковых слоёв, его ручка настройки — обычный наклон. И если аксион действительно существует, этот приёмник услышит его первым.
Резонансная частота детектора настраивается простым наклоном образца в магнитном поле: изменение угла на сотые доли градуса сдвигает резонанс на ширину линии, что позволяет сканировать массу аксиона без единого движущегося механического элемента внутри криостата.