Детектор одиничних фотонів на основі надпровідних нанодротів

Детектор одиничних фотонів на основі надпровідних нанодротів (Superconducting nanowire single-photon detector, SNSPD) — це тип детектора одиничних фотонів ближнього інфрачервоного та оптичного спектру на зміщенних струмом надпровідних нанодротах. Вперше він був розроблений вченими Московського державного педагогічного університету та Рочестерського університету в 2001 році. Перший повністю діючий прототип був продемонстрований в 2005 році в Університеті Рочестера, Національному інституті стандартів і технологій (Боулдер) та BBN Technologies як частина ^[en].

Детектор одиничних фотонів на основі надпровідних нанодротів у DARPA Quantum Network laboratory at BBN, червень 2005

Станом на 2018 рік детектор одиничних фотонів на основі надпровідних нанодротів є найшвидшим однофотонним детектором (SPD) для підрахунку фотонів.

Принцип дії

Детектор одиничних фотонів на основі надпровідних нанодротів складається з вузького (≈ 100  нм) надпровідного нанодрота у вигляді меандру або спіралі, розташованого на діелектричній підкладці. Цей нанодріт формується методами електронно-променевої фотолітографії і реактивного йонного травлення із попередньо осадженої на підкладку ультратонкої (≈ 5  нм) плівки надпровідника. Довжина нанодроту, як правило, становить сотні мікрометрів. Переважно, з метою забезпечення кращого з'вязку випромінювання з детектором і досягнення високої ефективності детектування фотонів, розміри одиничного квадратного або кругового приймального елемента детектора складають близько 10×10 мкм². Нанодріт охолоджується до температури, що дорівнює приблизно половині його критичної температури надпровідного переходу і зміщується постійним струмом, який близький до, але менше, ніж критичний струм надпровідника. Енергія одиничного інфрачервоного фотона (≈800 meV для довжини хвилі 1550 nm) набагато вище величини енергетичної щілини надпровідника (декілька одиниць meV), тому поглинання фотону призводить до руйнування куперівських пар, збільшення концентрації квазічастинок, і утворення у надпровідниковому нанодроті локалізованої області з пригніченою надпровідністю - так званої гарячої плями (hotspot). Це призводить до перерозподілу транспортного надпровідного струму у інші, незбурені області нанодроту, завдяки чому щільність транспортного струму може перевищити критичну щільність струму надпровідника, і в усьому перерізі нанодроту виникне резистивний стан і з'явиться електричний опір. Цей опір, як правило, у десятки разів більший, ніж вхідний імпеданс підсилювача зчитування (50 Ом), а отже, більша частина струму зміщення спрямовується по лінії передачі на підсилювач. На виході підсилювача виникає імпульс напруги, який приблизно дорівнює струму зміщення, помноженому на 50 Ом. Коли більша частина струму зміщення протікає через підсилювач, нанодріт охолоджується і повертається у надпровідний стан. Час повернення транспортного струму до нанодрота зазвичай визначається індуктивною сталою часу нанодрота, яка дорівнює відношенню кінетичної індуктивності нанодрота до імпедансу схеми зчитування. Для правильного самоперезавантаження пристрою потрібно, щоб ця індуктивна стала часу була менше, ніж власний час охолодження нанодроту.

Хоча SNSPD детектор, на відміну від TES детекторів на надпровідному переході, не забезпечує визначення енергії фотона і має великі обмеження при визначенні кількості одночасно падаючих на детектор фотонів, детектор одиничних фотонів на основі надпровідних нанодротів значно швидший, ніж звичайні TES детектори, і працює при більш високих температурах. Більшість SNSPD детекторів виготовляються з ^[en] (NbN), який має відносно високу критичну температуру надпровідного переходу (≈10  K) і дуже швидкий час охолодження (<100 пікосекунд). Пристрої на NbN продемонстрували ефективність детектування до 67 % при довжині хвилі 1064 нм із швидкістю відліку в сотні МГц. Однак ефективність детектування детекторів на основі нанокристалічних матеріалів (NbN) варіюється в широких межах через наявність в таких матеріалах локалізованих областей з неоднорідними надпровідними параметрами, що призводить до зменшення ефективної площи поперечного перерізу для протікання надпровідного струму.

Пристрої NbN також продемонстрували джитер — невизначеність часу надходження фотонів — менше 50 пікосекунд, а також дуже низькі значення темнових відліків, тобто появи імпульсів напруги за відсутності падіння фотона. Окрім того, мертвий час (інтервал часу після події виявлення, протягом якого детектор не є чутливим), становить близько декількох наносекунд. Цей короткий мертвий час сприяє високим показникам швидкодії детектора і дозволяє проводити вимірювання явища антигрупування фотонів навіть одним детектором.

Однак у випадку виявлення фотонів із більшою довжиною хвилі ефективність виявлення стандартних детекторів одиничних фотонів на основі надпровідних нанодротів значно зменшується. Недавні зусилля, спрямовані на підвищення ефективності виявлення на довжинах хвиль ближнього інфрачервоного та середнього інфрачервоного випромінювання, включають дослідження вузьких (20  нм і 30  нм) нанодротів з NbN а також дослідження матеріалів з нижчими критичними температурами переходу у надпровідний стан, ніж у NbN (^[en], , та ^[en]).

Програми

Багато початкових демонстрацій застосувань детекторів були в області квантової інформації, наприклад квантове розповсюдження ключів та квантові обчислення. Інші застосування включають детектування інфрачервоного фотовипромінювання для аналізу дефектів у схемах КМОН, LIDAR, квантову оптику на чипі,, волоконно-оптичне зондування температури, виявлення одиничного плазмону, квантова плазмоніка, виявлення одиночного електрона, виявлення одиничних α та β частинок, виявлення люмінесценції синглетного кисню та класичні комунікації на наддовгих відстанях. Ряд компаній комерціалізує повні системи виявлення одиночних фотонів на основі надпровідних нанодротів, включаючи Single Quantum, Photon Spot, sconphoton, Scontel, Quantum Opus та ID Quantique. Більш широке впровадження технології детекторів тісно пов'язане з досягненнями кріоохолодження до 4 K і нижче, і детектори одиничних фотонів на основі надпровідних нанодротів нещодавно були продемонстровані в мініатюризованих системах.

Примітки

1. C. M. Natarajan, M. G. Tanner, and R. H. Hadfield, "Superconducting nanowire single-photon detectors: physics and applications, " Superconductor Science and Technology 25, 063001 (2012), DOI:10.1088/0953-2048/25/6/063001, arXiv:1204.5560 [ 1 травня 2021 у Wayback Machine.]
2. A. D. Semenov, G. N. Gol'tsman and A. A. Korneev, "Quantum detection by current carrying superconducting film, " Physica C 351, 349 (2001), DOI:10.1016/S0921-4534(00)01637-3
3. G. N. Gol'tsman et al., "Picosecond superconducting single-photon optical detector, " Applied Physics Letters 79, 705 (2001), DOI:10.1063/1.1388868
4. Chip Elliott, «The DARPA quantum network», Quantum physics of nature. Theory, experiment and interpretation. in collaboration with 6th European QIPC workshop, Austria, 2005.
5. Martin A. Jaspan, Jonathan L. Habif, Robert H. Hadfield, Sae Woo Nam, «Heralding of telecommunication photon pairs with a superconducting single photon detector», Applied Physics Letters 89(3):031112-031112-3, July 2006.
6. BBN Technologies, «DARPA Quantum Network Testbed», Final Technical Report, 2007.
7. Francesco Marsili. «High Efficiency in the Fastest Single-Photon Detector System» [ 12 вересня 2015 у Wayback Machine.]. 2013.
8. Hadfield, Robert H. (December 2009). Single-photon detectors for optical quantum information applications. Nature Photonics (En) . 3 (12): 696—705. Bibcode:2009NaPho...3..696H. doi:10.1038/nphoton.2009.230. ISSN 1749-4885.
9. et al., "Kinetic-inductance-limited reset time of superconducting nanowire photon counters, " Applied Physics Letters 88, 111116 (2006), DOI:10.1063/1.2183810, arXiv:0510238 [ 27 січня 2020 у Wayback Machine.]
10. A. J. Annunziata et al., "Reset dynamics and latching in niobium superconducting nanowire single photon detectors, " Journal of Applied Physics 108, 084507 (2010), DOI:10.1063/1.3498809, arXiv:1008.0895 [ 13 лютого 2022 у Wayback Machine.]
11. Yu. P. Gousev et al., "Electron-phonon interaction in disordered NbN films, " Physica B 194-196, 1355 (1994), DOI:10.1016/0921-4526(94)91007-3
12. Kristine M Rosfjord; Joel KW Yang; Eric A Dauler; ; Vikas Anant; Boris M Voronov; Gregory N Gol’Tsman; Karl K Berggren (2006). Nanowire single-photon detector with an integrated optical cavity and anti-reflection coating. Optics Express. 14 (527): 527—34. doi:10.1364/OPEX.14.000527. PMID 19503367.
13. ; Eric A Dauler; Joel KW Yang; Kristine M Rosfjord; Vikas Anant; Karl K Berggren; Gregory N Gol’tsman; Boris M Voronov (2007). Constriction-limited detection efficiency of superconducting nanowire single-photon detectors. Applied Physics Letters. 90 (10): 101110. arXiv:physics/0611260. doi:10.1063/1.2696926. S2CID 118985342.
14. J. Zhang et al., "Response time characterization of NbN superconducting single-photon detectors, " IEEE Transactions on Applied Superconductivity 13, 180 (2003), DOI:10.1109/TASC.2003.813675
15. J. Kitaygorsky et al., "Origin of dark counts in nanostructured NbN single-photon detectors, " IEEE Transactions on Applied Superconductivity 15, 545 (2005), DOI:10.1109/TASC.2005.849914
16. G. A. Steudleet al., "Measuring the quantum nature of light with a single source and a single detector, " Physical Review A 86, 053814 (2012), DOI:10.1103/PhysRevA.86.053814
17. A. Korneev et al., "Quantum efficiency and noise equivalent power of nanostructured NbN single-photon detectors in the wavelength range from visible to infrared, " IEEE Transactions on Applied Superconductivity 15, 571 (2005), DOI:10.1109/TASC.2005.849923
18. F. Marsili et al., "Single-photon detectors based on ultranarrow superconducting nanowires, " Nano Letters 11, 2048 (2011), DOI:10.1021/nl2005143, arXiv:1012.4149 [ 28 серпня 2021 у Wayback Machine.]
19. B. Baek, A. E. Lita, V. Verma and S. W. Nam, "Superconducting a-WxSi1−x nanowire single-photon detector with saturated internal quantum efficiency from visible to 1850 nm, " Applied Physics Letters 98, 251105 (2011), DOI:10.1063/1.3600793
20. S. N. Dorenbos et al., "Low gap superconducting single photon detectors for infrared sensitivity, " Applied Physics Letters 98, 251102 (2011), DOI:10.1063/1.3599712
21. Korneeva, Yu P; Mikhailov, M Yu; Pershin, Yu P; Manova, N N; Divochiy, A V; Vakhtomin, Yu B; Korneev, A A; Smirnov, K V; Sivakov, A G (12 серпня 2014). Superconducting single-photon detector made of MoSi film. Superconductor Science and Technology (англ.). Т. 27, № 9. с. 095012. doi:10.1088/0953-2048/27/9/095012. ISSN 0953-2048. Процитовано 30 січня 2021.
22. Li, Jian; Kirkwood, Robert A.; Baker, Luke J.; Bosworth, David; Erotokritou, Kleanthis; Banerjee, Archan; Heath, Robert M.; Natarajan, Chandra M.; Barber, Zoe H. (27 червня 2016). Nano-optical single-photon response mapping of waveguide integrated molybdenum silicide (MoSi) superconducting nanowires. Optics Express (EN) . 24 (13): 13931—13938. Bibcode:2016OExpr..2413931L. doi:10.1364/OE.24.013931. hdl:1983/502e0a88-986b-4e79-8905-2bbd3bd75afd. ISSN 1094-4087. PMID 27410555.
23. H. Takesue et al., "Quantum key distribution over a 40-dB channel loss using superconducting single-photon detectors, " Nature Photonics 1, 343 (2007), DOI:10.1038/nphoton.2007.75, arXiv:0706.0397 [ 1 вересня 2021 у Wayback Machine.]
24. R. H. Hadfield, "Single-photon detectors for optical quantum information applications, " Nature Photonics 3, 696 (2009), DOI:10.1038/nphoton.2009.230
25. M. K. McManus et al., "PICA: Backside failure analysis of CMOS circuits using picosecond imaging analysis, " Microelectronics Reliability 40, 1353 (2000), DOI:10.1016/S0026-2714(00)00137-2
26. A. Mc Carthy et al., "Kilometer-range, high resolution depth imaging via 1560 nm wavelength single-photon detection, " Optics Express 21, 8904 (2013), DOI:10.1364/OE.21.008904
27. G. Reithmaier et al., "On-chip generation, routing and detection of quantum light, " (2014), arXiv:1408.2275v2 [ 10 жовтня 2018 у Wayback Machine.]
28. Tanner, Michael G.; Dyer, Shellee D.; Baek, Burm; Hadfield, Robert H.; Woo Nam, Sae (14 листопада 2011). High-resolution single-mode fiber-optic distributed Raman sensor for absolute temperature measurement using superconducting nanowire single-photon detectors. Applied Physics Letters (англ.). 99 (20): 201110. Bibcode:2011ApPhL..99t1110T. doi:10.1063/1.3656702. ISSN 0003-6951.
29. R. W. Heeres et al., "On-chip single plasmon detection, " Nanoletters 10, 661(2012), DOI:10.1021/nl903761t
30. R. W. Heeres et al., "Quantum interference of surface plasmons, " Nature Nanotechnology 8, 719 (2013), DOI:10.1038/nnano.2013.150
31. M. Rosticher et al., "A high efficiency superconducting nanowire single electron detector, " Applied Physics Letters 97, 183106 (2010), DOI:10.1063/1.3506692
32. H. Azzouz et al., "Efficient single particle detection with a superconducting nanowire, " AIP Advances 2, 032124 (2012), DOI:10.1063/1.4740074
33. N. R. Gemmell et al., "Singlet oxygen luminescence detection with a fiber-coupled superconducting nanowire single-photon detector, " Optics Express 21, 5005(2013), DOI:10.1364/OE.21.005005
34. D. M. Boroson, R. S. Bondurant and J. J. Scozzafava, "Overview of high rate deep space laser communications options, " Proc. SPIE 5338, 37 (2004), DOI:10.1117/12.543010
35. Gemmell, N. R. (September 2017). A miniaturized 4 K platform for superconducting infrared photon counting detectors. Superconductor Science and Technology. 30 (11): 11LT01. Bibcode:2017SuScT..30kLT01G. doi:10.1088/1361-6668/aa8ac7.