Supraleitender Nanodraht-Einzelphotonen-Detektor - Superconducting nanowire single-photon detector
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Der supraleitende Nanodraht - Einzelphotonendetektor ( SNSPD oder SSPD ) ist eine Art von optischem und Nahinfrarot- Einfach- Photonendetektor auf der Basis einen aktuellen vorgespannte supraleitenden Nanodraht . Es wurde erstmals 2001 von Wissenschaftlern der Moskauer Staatlichen Pädagogischen Universität und der Universität Rochester entwickelt . Der erste voll funktionsfähige Prototyp wurde 2005 vom National Institute of Standards and Technology (Boulder) und BBN Technologies als Teil der DARPA Quantum . demonstriert Netzwerk .
Ab 2021 ist ein supraleitender Nanodraht-Single-Photon-Detektor der schnellste Single-Photon-Detektor (SPD) für die Photonenzählung . Es ist eine Schlüsseltechnologie für die Quantenoptik und optische Quantentechnologien . SNSPDs sind mit sehr hoher Detektionseffizienz, sehr niedriger Dunkelzählrate und sehr geringem Timing-Jitter im Vergleich zu anderen Arten von Einzelphotonendetektoren erhältlich. Ab 2021 sind kommerzielle SNSPD-Geräte in Mehrkanalsystemen in einer Preisspanne von 100.000 Euro erhältlich.
Funktionsprinzip
Das SNSPD besteht aus einem dünnen (≈ 5 nm) und schmalen (≈ 100 nm) supraleitenden Nanodraht. Die Länge beträgt typischerweise Hunderte von Mikrometern , und der Nanodraht ist in einer kompakten Mäandergeometrie gemustert, um ein quadratisches oder kreisförmiges Pixel mit hoher Detektionseffizienz zu erzeugen. Der Nanodraht wird abgekühlt deutlich unter seiner supraleitenden kritischen Temperatur und mit einer Gleichspannung überlagerter Strom , die nahe an, aber geringer als der kritische Supraleitungsstrom des Nanodrahts. Ein auf den Nanodraht einfallendes Photon bricht Cooper-Paare und reduziert den lokalen kritischen Strom unter den des Bias-Stroms. Dies führt zur Bildung eines lokalisierten nicht-supraleitenden Bereichs oder Hotspots mit endlichem elektrischem Widerstand . Dieser Widerstand ist in der Regel größer als die 50 Ohm - Eingangsimpedanz des Ausleseverstärkers und damit der größte Teil des Vorstromes ist mit dem Verstärker überbrückt. Dies erzeugt einen messbaren Spannungsimpuls, der ungefähr gleich dem Bias-Strom multipliziert mit 50 Ohm ist. Wenn der größte Teil des Vorspannungsstroms durch den Verstärker fließt, kühlt sich der nicht-supraleitende Bereich ab und kehrt in den supraleitenden Zustand zurück. Die Zeit, bis der Strom zum Nanodraht zurückkehrt, wird typischerweise durch die induktive Zeitkonstante des Nanodrahts eingestellt, die gleich der kinetischen Induktivität des Nanodrahts geteilt durch die Impedanz der Ausleseschaltung ist. Eine ordnungsgemäße Selbstrückstellung des Geräts erfordert, dass diese induktive Zeitkonstante langsamer ist als die intrinsische Abkühlzeit des Nanodraht-Hotspots.
Während die SNSPD nicht der intrinsischen Energie- oder Photonenzahlauflösung des supraleitenden Übergangskantensensors entspricht , ist die SNSPD wesentlich schneller als herkömmliche Übergangskantensensoren und arbeitet bei höheren Temperaturen. Ein gewisses Maß an Photonenzahlauflösung kann in SNSPD-Arrays durch Time-Binning oder erweiterte Ausleseschemata erreicht werden. Die meisten SNSPDs sind aus aus gesputtertem Niobnitrid (NbN), das bietet eine relativ hohe supraleitende kritische Temperatur (≈ 10 K ) , die ermöglicht SNSPD Betrieb im Temperaturbereich von 1 K bis 4 K (kompatibel mit flüssigem Helium oder moderner mit geschlossenem Kreislauf Kryokühler ) . Die intrinsischen thermischen Zeitkonstanten von NbN sind kurz, was zu einer sehr schnellen Abkühlzeit nach der Photonenabsorption führt (<100 Pikosekunden).
Die Absorption im supraleitenden Nanodraht kann durch verschiedene Strategien gesteigert werden: Integration mit einer optischen Kavität , Integration mit einem photonischen Wellenleiter oder Hinzufügen von Nanoantennenstrukturen . SNSPD-Cavity-Bauelemente aus NbN, NbTiN, WSi und MoSi haben eine Detektionseffizienz von fasergekoppelten Bauelementen von mehr als 98 % bei einer Wellenlänge von 1550 nm mit Zählraten im Zehnerbereich von MHz gezeigt. Die Detektionseffizienzen sind in jedem Detektor für einen bestimmten Wellenlängenbereich optimiert. Sie variieren jedoch stark aufgrund stark lokalisierter Bereiche der Nanodrähte, in denen die effektive Querschnittsfläche für supraleitenden Strom reduziert ist.
SNSPD-Geräte haben auch einen außergewöhnlich niedrigen Jitter – die Unsicherheit in der Photonenankunftszeit – von nur 3 Pikosekunden gezeigt. Timing-Jitter ist eine äußerst wichtige Eigenschaft für zeitkorrelierte Einzelphotonenzählanwendungen (TCSPC). Darüber hinaus weisen SNSPDs extrem niedrige Dunkelzählraten auf, dh das Auftreten von Spannungspulsen in Abwesenheit eines detektierten Photons. Darüber hinaus liegt die Totzeit (Zeitintervall nach einem Detektionsereignis, während der der Detektor nicht empfindlich ist) in der Größenordnung von wenigen Nanosekunden. Diese kurze Totzeit führt zu sehr hohen Sättigungszählraten und ermöglicht Antibunching-Messungen mit einem einzigen Detektor.
Bei der Detektion längerwelliger Photonen nimmt die Detektionseffizienz von Standard-SNPDs jedoch deutlich ab. Zu den jüngsten Bemühungen zur Verbesserung der Detektionseffizienz bei Wellenlängen im nahen Infrarot und im mittleren Infrarot gehören Studien zu schmaleren (20 nm und 30 nm breiten) NbN-Nanodrähten sowie umfangreiche Studien zu alternativen supraleitenden Materialien mit niedrigeren supraleitenden kritischen Temperaturen als NbN ( Wolframsilizid , Niobsilicid, Molybdänsilicid und Tantalnitrid ). Eine Einzelphotonenempfindlichkeit bis zu einer Wellenlänge von 10 Mikrometer wurde kürzlich in einem Wolframsilicid-SNPD gezeigt. Alternative Dünnfilmabscheidungstechniken wie die Atomlagenabscheidung sind von Interesse, um den Spektralbereich und die Skalierbarkeit von SNSPDs auf große Bereiche zu erweitern. Hochtemperatur-Supraleiter wurden für SNSPDs untersucht, jedoch mit begrenztem Erfolg. Die Zunahme der Energielücke verringert die Empfindlichkeit gegenüber Infrarotphotonen. SNSPDs wurden aus Magnesiumdiborid mit einer gewissen Einzelphotonenempfindlichkeit im sichtbaren und nahen Infrarot hergestellt.
Es besteht ein beträchtliches Interesse und ein beträchtlicher Aufwand an der Skalierung von SNSPDs auf große Multipixel-Arrays und -Kameras. Kürzlich wurde über ein Kilopixel-SNPD-Array berichtet. Eine zentrale Herausforderung ist das Auslesen, das über Multiplexing oder digitales Auslesen mit supraleitender Einzelflussquantenlogik angegangen werden kann .
Anwendungen
Viele der ersten Anwendungsdemonstrationen von SNSPDs waren im Bereich der Quanteninformation , wie der Quantenschlüsselverteilung und des optischen Quantencomputings . Andere aktuelle und aufkommende Anwendungen umfassen die Bildgebung von Infrarot-Photoemission zur Fehleranalyse in CMOS- Schaltkreisen, Einzelphotonen-Emitter-Charakterisierung, LIDAR , On-Chip -Quantenoptik , optisches neuromorphes Rechnen , faseroptische Temperaturmessung, optische Zeitbereichsreflektometrie , Auslesen für Ionenfallen- Qubits, Quantenplasmonik, Einzelelektronendetektion, einzelne α- und β-Teilchendetektion, Singulett-Sauerstofflumineszenzdetektion , optische Tiefraumkommunikation, Suche nach dunkler Materie und Exoplanetendetektion . Eine Reihe von Unternehmen weltweit vermarkten erfolgreich komplette Einzelphotonen-Detektionssysteme basierend auf supraleitenden Nanodrähten, darunter Single Quantum , Photon Spot , Scontel , Quantum Opus und ID Quantique . Die breitere Akzeptanz der SNSPD-Technologie ist eng mit den Fortschritten bei Kryokühlern für 4 K und darunter verbunden, und SNSPDs wurden kürzlich in miniaturisierten Systemen demonstriert.