Однофотонный сверхпроводящий детектор

Однофотонный
сверхпроводящий детектор
докладчик:
Зотова Анна
научный руководитель:
Водолазов Д.Ю.
Содержание
•
•
•
•
•
Введение
Теоретические модели
Экспериментальные характеристики
Материалы
Применения
SSPD (сверхпроводящий
однофотонный детектор)
Gol’tsman G. et al, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11 574–7 (2001)
Болометры (TES)
V2
PJoule 
R
фотон
T
R
PJoule 
начальное
состояние
Эволюция горячих электронов
NbN
Te  Tp 1
 dTe

 W t 

 ep
Ce
 dt
 dT
T  Tp Tp  T0
 p  Ce e

 dt
C p  ep
 es
A. D. Semenov, G. N. Gol’tsman and R. Sobolewski Supercond. Sci. Technol. 15 (2002) R1–R16
Электро-термическая модель
Te  Tp 1
 dTe

 W t 

 ep
Ce
 dt
 dT
T  Tp Tp  T0
 p  Ce e

 dt
C p  ep
 es
Te  T p  T
C  Ce  C p
 d 2T

1
 esc
T
Cd
 d 2T   T0  T 
t
 J 2 d
T
Cd
 J 2 d  d 2T   T0  T 
t
Механизмы детектирования
1.
2.
c 
Ic
2R
 1
I dep
w
8
hc 
I 
c 
1

2
2 
dN 0  w  I dep 
Ic
ns '

I dep n s

hc
dN 0 2 w D th
2
A. Semenov, G. Gol’tsman, A.
Korneev, Physica C 351, 349 (2001)

I 
1 

 I dep 
1
A. Semenov, A. Engel, H.-W. Hübers, K. Il’in, M.
Siegel, Eur. Phys. J. B 47 (2005) 495
Механизмы детектирования
 ns ' 
Ic
  
I dep  n s 
3.
3/ 2
2
 ns ' 
hc
2
   1 
 N 0 2 w 2 d
 ns 
2 hc   I 
c 
1
2
2
dN 0  w   I dep 

4/3




1
L. N. Bulaevskii, M. J. Graf and V.G. Kogan, Phys. Rev. B 85, 014505 (2012)
Механизмы детектирования
4.
  2R  2 1   2  
Ic
R 1  2 
 1  
/ 1


2 
I dep   w  1     R   1   2 
 hc



R  
  C v d Tc  T0  

1/ 2
I
Is

Zotova A. N. and Vodolazov D. Y., Phys. Rev. B 85 024509 (2012)

 in
 out
Сравнение с экспериментом
-модель 2
-модель 3
-модель 4
Подгоночные параметры:
  0.38 - часть энергии фотона,
идущая на создание области
с подавленной
сверхпроводимостью
I / I c  0.5
R. Lusche, A. Semenov, H.-W. Hübers, K. Ilin, M. Siegel, Y. Korneeva, A.
Trifonov, A. Korneev, G. Gol’tsman and D. Vodolazov, arXiv:1303.4546
Характеристики SSPD
Эффективность детектирования:
 sde  coupling  absorption registering
 dde   absorption registering
Темновые отсчеты:
Джиттер:
SSPD vs SPAD vs TES
TES
SSPD
T
SPAD
(InGaAs)
200 K
0.1 K
2K
λ
1-1.7 μm
0.1-5. μm
0.4-5.6 μm
эффективность
детектирования
20%
>80%
93%
темновые отсчеты
few kHz
<0.001 Hz <0.01 Hz
скорость счета
1-10 MHz
20 kHz
>1 GHz
джиттер
100 ps
few ps
60 ps
Темновые отсчеты
Bartolf H., Engel A., Schilling A., Hübers H.-W. and Semenov A., Phys. Rev. B 81, 024502 (2010)
L. N. Bulaevskii, M. J. Graf, C. D. Batista and V. G. Kogan, Phys. Rev. B 83, 144526 (2011)
Запирание (latching)
 r  Lk / RL
- время возвращения тока
c
- время охлаждения горячего пятна
c
зависит от
 e ph
и от энергии,
запасенной в индуктивности
 r   c
Lk I b2
2
запирание
A. J. Annunziata, O. Quaranta, D. F. Santavicca, A. Casaburi, L. Frunzio et al. J. Appl. Phys. 108, 084507 (2010)
Повышение эффективности
детектирования
 coupling
- покрытие большей площади нанопроволокой в форме меандра
 absorption
 registering
•уменьшение ширины
нанопроволок
•использование материалов с
меньшей шириной
сверхпроводящей щели
Материалы
• NbN - первый материал
• NbTiN – низкая Lk → ниже τr
• Nb – низкие τr, но медленно релаксирует энергия →
запирание
• MgB2 – необходимо развитие технологии для
изготовления однородных меандров большей площади
• YBaCuO – не продемонстрирована однофотонная
чувствительность в видимом и инфракрасном диапазонах
• WxSi1-x, TaN – меньше энергия сверхпроводящей щели
→ лучшая чувствительность на высоких длинах волны, но
низкие Tc
WxSi1-x, TaN
• WxSi1-x –
•
F. Marsili,V. B. Verma1, J. A. Stern, S. Harrington, A.
E. Lita, T. Gerrits, I. Vayshenker, B. Baek, M. D.
Shaw, R. P. Mirin, and S. W. Nam arXiv:1209.5774v1
A. Engel, A. Aeschbacher, K. Inderbitzin, A. Schilling, K.
Il’in, M. Hofherr, M. Siegel, A. Semenov and H.-W.
Hübers Appl. Phys. Lett. 100, 062601 (2012)
рекордная
эффективность
детектирования
93%
TaN – низкая
энергия отсечки
Применения:
Криптография – необходимо передавать фотоны на большие
расстояния, SSPD используются для регистрации этих фотонов
Развитие оптических квантовых компьютеров – требуются
детекторы с эффективностью детектирования, близкой к единице
Диагностика квантовых эмиттеров - SSPDs используются
для изучения испускания фотонов атомами, квантовыми точками,
молекулами
Связь со спутниками – SSPDs в качестве наземного приемника
сигнала лазера со спутника
Тестирование интегральных схем – детектирование
излучаемых фотонов позволяет определить качество таких систем