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Detector de fotón único de nanocables superconductores

Micrografía electrónica de barrido de un detector de fotón único de nanocables superconductores.
Micrografía electrónica de barrido en falso color de un detector de fotón único de nanocables superconductores (SNSPD). Crédito de la imagen: NIST .
Detector de fotón único de nanocables superconductores en el laboratorio de la red cuántica de DARPA en BBN, junio de 2005

El detector monofotónico de nanohilo superconductor ( SNSPD o SSPD ) es un tipo de detector monofotónico óptico y de infrarrojo cercano basado en un nanohilo superconductor polarizado por corriente . [1] Fue desarrollado por primera vez por científicos de la Universidad Pedagógica Estatal de Moscú y de la Universidad de Rochester en 2001. [2] [3] El primer prototipo completamente operativo fue demostrado en 2005 por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (Boulder) y BBN Technologies como parte de la Red Cuántica DARPA . [4] [5] [6] [7]

A partir de 2023, un detector de fotón único de nanocables superconductores es el detector de fotón único (SPD) más rápido para el conteo de fotones . [8] [9] [10] Es una tecnología habilitadora clave para la óptica cuántica y las tecnologías cuánticas ópticas . Los SNSPD están disponibles con una eficiencia de detección muy alta, una tasa de conteo oscuro muy baja y una fluctuación de tiempo muy baja, en comparación con otros tipos de detectores de fotón único. Los SNSPD están cubiertos por los estándares internacionales de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). [11] A partir de 2023, los dispositivos SNSPD comerciales están disponibles en sistemas multicanal en un rango de precios de 100.000 euros.

Recientemente se ha descubierto que los cables superconductores de hasta 1,5 μm de ancho pueden detectar fotones infrarrojos individuales. [12] [13] [14] Esto es importante porque en su construcción se puede utilizar litografía óptica en lugar de litografía electrónica, lo que reduce el coste de las aplicaciones que requieren grandes áreas de fotodetector. Una de las aplicaciones es en los experimentos de detección de materia oscura, donde el objetivo es un cristal de GaAs centelleante. El GaAs dopado adecuadamente con silicio y boro es un centelleador criogénico luminoso que no tiene resplandor aparente y está disponible comercialmente en forma de cristales grandes de alta calidad. [15] [16] [17]

Principio de funcionamiento

El SNSPD consiste en un nanohilo superconductor delgado (≈ 5 nm) y estrecho (≈ 100 nm) . La longitud es típicamente de cientos de micrómetros , y el nanohilo está diseñado en una geometría de meandro compacta para crear un píxel cuadrado o circular con alta eficiencia de detección. El nanohilo se enfría muy por debajo de su temperatura crítica superconductora y se polariza con una corriente CC que es cercana pero menor que la corriente crítica superconductora del nanohilo. Un fotón incidente en el nanohilo rompe pares de Cooper y reduce la corriente crítica local por debajo de la de la corriente de polarización. Esto da como resultado la formación de una región no superconductora localizada, o punto caliente, con una resistencia eléctrica finita . Esta resistencia es típicamente mayor que la impedancia de entrada de 50 ohmios del amplificador de lectura y, por lo tanto, la mayor parte de la corriente de polarización se deriva al amplificador. Esto produce un pulso de voltaje medible que es aproximadamente igual a la corriente de polarización multiplicada por 50 ohmios. Con la mayor parte de la corriente de polarización fluyendo a través del amplificador, la región no superconductora se enfría y vuelve al estado superconductor. El tiempo que tarda la corriente en volver al nanoalambre normalmente lo establece la constante de tiempo inductiva del nanoalambre, que es igual a la inductancia cinética del nanoalambre dividida por la impedancia del circuito de lectura. [18] Para que el dispositivo se reinicie automáticamente de forma adecuada, es necesario que esta constante de tiempo inductiva sea más lenta que el tiempo de enfriamiento intrínseco del punto caliente del nanoalambre. [19]

Si bien el SNSPD no coincide con la energía intrínseca o la resolución del número de fotones del sensor de borde de transición superconductor , el SNSPD es significativamente más rápido que los sensores de borde de transición convencionales y opera a temperaturas más altas. Se puede lograr un grado de resolución del número de fotones en matrices SNSPD, [20] a través de la agrupación en el tiempo [21] o esquemas de lectura avanzados. [22] La mayoría de los SNSPD están hechos de nitruro de niobio pulverizado (NbN), que ofrece una temperatura crítica superconductora relativamente alta (≈ 10  K ) que permite la operación del SNSPD en el rango de temperatura de 1 K a 4 K (compatible con helio líquido o crioenfriadores de ciclo cerrado modernos ). Las constantes de tiempo térmicas intrínsecas de NbN son cortas, lo que proporciona un tiempo de enfriamiento muy rápido después de la absorción de fotones (<100 picosegundos). [23]

La absorción en el nanohilo superconductor se puede potenciar mediante una variedad de estrategias: integración con una cavidad óptica , [24] integración con una guía de ondas fotónica [25] o adición de estructuras de nanoantena . [26] Los dispositivos de cavidad SNSPD en NbN, NbTiN, WSi y MoSi han demostrado eficiencias de detección de dispositivos acoplados a fibra superiores al 98% a una longitud de onda de 1550 nm [27] con tasas de conteo en las decenas de MHz. [28] Las eficiencias de detección están optimizadas para un rango de longitud de onda específico en cada detector. Sin embargo, varían ampliamente debido a regiones altamente localizadas de los nanohilos donde se reduce el área de sección transversal efectiva para la corriente superconductora. [29] Los dispositivos SNSPD también han demostrado una fluctuación excepcionalmente baja (la incertidumbre en el tiempo de llegada del fotón), tan baja como 3 picosegundos en longitudes de onda visibles. [30] [31] La fluctuación de tiempo aumenta a medida que cae la energía del fotón y se ha verificado hasta una longitud de onda de 3,5 micrómetros. [32] La fluctuación temporal es una propiedad extremadamente importante para las aplicaciones de conteo de fotones individuales correlacionados en el tiempo (TCSPC) [33] . Además, los SNSPD tienen tasas extremadamente bajas de conteos oscuros, es decir, la aparición de pulsos de voltaje en ausencia de un fotón detectado. [34] Además, el tiempo muerto (intervalo de tiempo después de un evento de detección durante el cual el detector no es sensible) es del orden de unos pocos nanosegundos, este corto tiempo muerto se traduce en tasas de conteo de saturación muy altas y permite mediciones antiagrupamiento con un solo detector. [35]

Sin embargo, para la detección de fotones de longitud de onda más larga, la eficiencia de detección de los SNSPD estándar disminuye significativamente. [36] Los esfuerzos recientes para mejorar la eficiencia de detección en longitudes de onda de infrarrojo cercano e infrarrojo medio incluyen estudios de nanocables de NbN más estrechos (20 nm y 30 nm de ancho) [37] así como estudios extensos de materiales superconductores alternativos [38] con temperaturas críticas superconductoras más bajas que NbN ( siliciuro de tungsteno , [39] siliciuro de niobio, [40] siliciuro de molibdeno [41] y nitruro de tantalio [42] ). Recientemente se ha demostrado una sensibilidad de fotón único de hasta 10 micrómetros de longitud de onda en un SNSPD de siliciuro de tungsteno. [43] Las técnicas alternativas de deposición de película delgada, como la deposición de capa atómica, son de interés para ampliar el rango espectral y la escalabilidad de los SNSPD a grandes áreas. [44] Se han investigado superconductores de alta temperatura para SNSPD [45] [46] con algunos informes recientes alentadores. [47] [48] Se han creado SNSPD a partir de diboruro de magnesio con cierta sensibilidad a un solo fotón en el infrarrojo visible y cercano. [49] [50]

Existe un interés y un esfuerzo considerables en ampliar los SNSPD a grandes matrices multipíxel y cámaras. [51] [52] Recientemente se informó sobre una matriz SNSPD de kilopíxeles. [53] Un desafío clave es la lectura, [54] que se puede abordar mediante multiplexación [55] [56] o lectura digital utilizando lógica cuántica de flujo único superconductora . [57]

Aplicaciones

Muchas de las demostraciones de aplicaciones iniciales de SNSPD han sido en el área de información cuántica , [58] como la distribución de claves cuánticas [59] y la computación cuántica óptica . [60] [61] Otras aplicaciones actuales y emergentes incluyen la obtención de imágenes de fotoemisión infrarroja para el análisis de defectos en circuitos CMOS , [62] caracterización de emisores de fotones individuales , [63] LIDAR , [64] [65] [66] óptica cuántica en chip , [67] [68] computación neuromórfica óptica , [69] [70] detección de temperatura por fibra óptica , [71] reflectometría óptica en el dominio del tiempo , [72] lectura de qubits de trampa de iones , [73] plasmónica cuántica, [74] [75] detección de un solo electrón, [76] detección de partículas α y β individuales, [77] detección de luminiscencia de oxígeno singlete , [78] comunicación óptica en el espacio profundo , [79] [80] búsquedas de materia oscura, [81] y detección de exoplanetas . [82] Varias empresas en todo el mundo están comercializando con éxito sistemas completos de detección de fotones individuales basados ​​en nanocables superconductores, entre las que se incluyen Single Quantum, Photon Spot, Scontel, Quantum Opus, ID Quantique , PhoTec y Pixel Photonics. La adopción más amplia de la tecnología SNSPD está estrechamente vinculada a los avances en crioenfriadores para 4 K y menos, y recientemente se han demostrado los SNSPD en sistemas miniaturizados. [83] [84]

Referencias

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