Исследование спектральной чувствительности однофотонного отклика сверхпроводниковых полосок микронной ширины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование спектральной чувствительности однофотонного отклика сверхпроводниковых полосок микронной ширины

Юдин А.Н.

Введение

однофотонный детектор микронный спектральный

Сверхпроводящие однофотонные детекторы излучения - молодое и бурно развивающееся направление квантовой электроники. Первые эксперименты по нарушению сверхпроводящего состояния в тонких плёнках при оптическом облучении относятся к 1970 гг., а в начале 2000-х возникла современная наиболее популярная разновидность - однофотонные детекторы на сверхпроводящей нанопроволоке, типичная ширина которой сопоставима с размерами горячего пятна, образующегося при поглощении фотона сверхпроводником (десятки нм). Однако, детекторы на основе широких, в единицы микрон, тонкоплёночных полосок, представляют существенный интерес в ряде приложений, что делает актуальной их исследование и оптимизацию параметров.

Наиболее распространённые детекторы на основе нанопроволок обладают существенными достоинствами, прямо следующими из природы развивающихся в них явлений. Так, соизмеримость поперечного размера нанопроволоки с размерами первичного горячего пятна - зоны нарушения сверхпроводимости при поглощении фотона, за счёт надёжного развития перехода нанопроволоки в нормальное состояние по всей ширине, обеспечивает высокую, практически целиком определяемую коэффициентом поглощения фотона, квантовую эффективность на уровне 30% для простейшей компоновки детектора и до 90% с оптимизирующими поглощение структурами типа резонаторов Фабри-Перо, оптически сопряжённых с детектором. Однако, для обеспечения практически интересной площади детектирования, приходится укладывать нанопроволоку в меандр или кольцевые структуры, что приводит к большой длине проволоки с соответствующей большой кинетической индуктивностью, существенно ограничивающей быстродействие в ряде критических применений. Кроме того, укладка проволоки меандром даёт не всегда полезную поляризационную чувствительность детектора, с выраженной зависимостью вероятности поглощения от взаимной ориентации проволоки и плоскости поляризации излучения.

Детекторы на полосках тонких плёнок микронной ширины свободны от таких недостатков детекторов с длинной нанопроволокой, как высокая кинетическая индуктивность и обусловленная геометрией укладки поляризационная чувствительность. Более того, оптимизируя геометрию полоски и тонко регулируя ток смещения, можно получить непрерывную сосредоточенную область высокой чувствительности, с малой зависимостью эффективности от конкретного места возникновения в ней горячего пятна. Большой интерес представляет, как построение теоретически обоснованной модели поведения таких детекторов, так и их тонкая инженерная оптимизация на основе такой модели для выпуска практически применяемых изделий. Прежде всего, с плёночным детектором присутствует выраженная зависимость квантовой эффективности от длины, волны, близкая к экспоненциальной. В силу потери поперечной наноразмерности становится недоступной оптимизация квантовой эффективности путём изменения ширины нанопроволоки. В этих условиях становятся особенно важными как методы моделирования, так и установки, и методики исследования изготавливаемых детекторов, т.к. основным инструментом оптимизации эффективности детекторов становится прецизионная регулировка тока смещения, позволяющая в сочетании с оптимизированной геометрией прибора получать максимум эффективности и в полной мере реализовывать преимущества широких тонкоплёночных детекторов.

1. Экспериментальная база ЗАО «СКОНТЕЛ», применяемая при исследованиях однофотонных детекторов на основе сверхпроводящих пленок

1.1 ЗАО «Сконтел» - базовая кафедра МИЭМ НИУ ВШЭ, г. Москва

ЗАО «Сконтел» - пионер разработок и лидер мирового рынка сверхпроводящих однофотонных детекторов. Основанная в 2004 г. профессором МПГУ Г.Н. Гольцманом компания занимает устойчивую нишу и осуществляет полный цикл разработки и производства законченных блоков детектирования одиночных фотонов и детекторов терагерцового излучнения. Ведётся активная научная и образовательная работа, а также передовые прикладные разработки.

По состоянию на 2016 г. выручка ЗАО «Сконтел» порядка 45 млн.р., при этом компания претендует на 40-50% быстро растущего рынка глобальной ёмкостью порядка 10 и более млн. долл. Одна из ключевых перспектив рынка однофотонных детекторов - быстро развивающийся рынок систем квантовой криптографии, на котором преимущества сверхпроводящих однофотонных детекторов носят ключевой характер, определяя общие характеристики системы.

Компания оснащена полным циклом фото- и электронолитографического производства малого масштаба с обширным арсеналом средств испытаний как полупроводниковых образцов, так и законченных изделий.

1.2 Особенности сверхпроводящих однофотонных детекторов на основе полосок микронной ширины и возможности экспериментальной базы ЗАО «Сконтел» по их изготовлению и исследованию параметров

Рис. 1. Сравнительные электронные микрофотографии сверхпроводящего однофотонного детектора на основе полоски тонкой плёнки (а) и классического детектора на основе уложенной меандром нанопроволоки (б).

Рис. 1 иллюстрирует геометрию исследуемых в ходе работы детекторов на основе тонкой плёнки, наноразмерной только по толщине (3,3 нм). Поглощаемое излучение формирует горячие пятна в области оптимальной плотности тока смещения, в данном случае прямоугольнике 2х10 мкм.

Детекторы изготавливаются методом магнетронного распыления с последующей электронно-лучевой литографией и ионно-химическим травлением.

Рис. 2. Пример детектора оптимизированной геометрии, с достижением оптимальной плотности тока смещения в центральной части и оценка детектирующей зоны при данной геометрии

Детекторы функционируют при температурах 1,7-4,2К, достигаемых охлаждением жидким гелием с откачкой паров для понижения точки кипения.

Измерительные установки построены вокруг криостата и источника смещения, различаясь схемами освещения образца. Во всех случаях в систему вводится канал контроля параметров вводимого излучения - интенсивности, поляризации, а в случае спектральных измерений - длины волны.

Важное преимущество полосовых детекторов - компактная чувствительная область 100% заполнения, что делает их оптимальным выбором для использования с одномодовыми волокнами. Высокое собственное быстродействие полосового детектора в сочетании с отсутствием модовой дисперсии в волокне обеспечивают высокую пропускную способность тракта, однако предъявляют высокие требования к взаимной юстировке волокна и детектора.

В совокупности, имеющиеся в ЗАО «Сконтел» измерительные установки позволяют исследовать детекторы в непрерывных диапазонах 400-1550 нм и 1-3,5 мкм, для пропускания ИК применяется дьюар с сапфировым окном. Также имеется возможность измерений в дискретных линиях 1064, 1260, 1550 нм, при необходимости - в остальных интересующих линиях лазеров.

2. Освоенные в ходе преддипломной практики установки

В ходе практики были получены специальные знания касательно подготовки и исследования образцов сверхпроводящих однофотонных нанодетекторов, как классического типа в виде уложенной меандром длинной нанопроволоки, так и в виде короткого широкого тонкоплёночного мостика микронной ширины. Знакомство с полным циклом от подготовки образца наноструктуры до исследования детектора позволяет рассчитывать на получение собственного набора экспериментальных данных по полоскам микронной ширины в ходе подготовки ВКР в серии целенаправленных экспериментов, которые внесут вклад в проверку и развитие моделей механизма детектирования одиночных фотонов, производимых в настоящее время коллективом ЗАО «Сконтел».

Полученный научным коллективом ЗАО «Сконтел» к настоящему времени на описываемых установках объём экспериментальных данных даёт богатый материал по активному развитию вихревой модели детектирования фотонов сверхпроводящей плёнкой. Рис. 7 и 8 показывают результаты измерений как зависимости квантовой эффективности от тока смещения при фиксированных длинах волн, так и зависимость квантовой эффективности от тока смещения в зависимости от приложенного внешнего магнитного поля.

Наличие для детектора с полоской микронной ширины тока I_cross, выше и ниже которого влияние тока смещения и магнитного поля на квантовую эффективность противоположно, является убедительным экспериментальным доводом в пользу модели фотон-индуцированных вихрей и представляет собой фундаментальный научный результат.

3. Индивидуальная работа в рамках задания

3.1 Обзор моделей, применяемых для описания сверхпроводниковых однофотонных детекторов

Сверхпроводниковые однофотонные детекторы - весьма простые приборы, как с точки зрения структуры чувствительной области, так и с точки зрения принципа работы. Поглощение кванта излучения, имеющего достаточную энергию для локального перевода, находящегося в близком к критическому состоянию сверхпроводника в нормальное состояние, вызывает саморазвивающийся процесс обеспечивающий внутреннее усиление однофотонного сигнала до резкого изменения протекающего тока. Однако, всестороннее количественное описание однофотонного детектора - сложная многопараметрическая задача. Основные сложности заключаются в одновременном влиянии следующей совокупности факторов:

- близкой к критической плотности тока смещения в светочувствительной области, управление которым - ключевой инструмент влияния на параметры детектора

- влияние рабочей температуры

- внешнее магнитное поле, различное как по величине, так и по направлению

- нестационарность процесса и необходимость учёта и оптимизации его временных характеристик (крайне критично для практического применения в системах квантовой криптографии, т.к. быстродействие детектора прямо влияет на пропускную способность линии связи)

- нелинейные магнитные процессы в сверхпроводниках - плазмоны и вихревые явления с существенным влиянием на параметры прибора

- наноразмерность практически интересных детектирующих конструкций, таких как нанопроволоки и наноплёнки.

- широкий диапазон длин волн, в которых требуется исследование процесса детектирования и оптимизация детекторов

- влияние поляризации излучения

- необходимость оптимизации не только внутренней детектирующей способности, но и параметров оптического сопряжения детектора.

- важность одновременной с оптимизацией эффективности детектировании оптимизации темнового тока, для повышения соотношения сигнал/шум.

Вследствие вышеперечисленных факторов, моделирование и оптимизация сверхпроводниковых однофотонных детекторов представляют собой сложную научно-инженерную задачу, методы решения которой находятся в состоянии бурного развития, как и само производство и применение таких приборов.

Регион T₀+T - область поглощения фотона. В рассматриваемых детекторах с плёнками микронной ширины поперечное положение области поглощения является одной из степеней свободы, влияющих на параметры процесса детектирования.

Основные физические модели, описывающие нестационарные процессы в околокритическом сверхпроводнике можно разделить на следующие:

- кинетические

- плазмонные

- вихревые

Как было показано в разделе 2 и работах [2-3], существующие эксперименты убедительно свидетельствуют о значимом влиянии вихревых эффектов в детекторах на базе сверхпроводниковых наноплёнок микронной ширины.

Наиболее полное описание поведения сверхпроводникового однофотонного детектора предоставляют кинетические модели с прямым моделированием динамики неравновесных квазичастиц и полным решением кинетического уравнения. К сожалению, эти модели одновременно являются наиболее вычислительно сложными, их построение, вычислительная реализация, отладка и верификация являются перспективной задачей ближайшего будущего.

Бурное развитие в недавнее время получили модели вихревого типа [6-8], представляющие процессы в сверхпроводниковом нанослое в виде суперпозиции пар «вихрь-антивихрь».

Наиболее простым для анализа является поведение вихрей в узких полосках - нанопроволоках. В исследуемых же в рамках данной работы сверхпроводящих полосок микронной ширины, важным является анализ поведения системы вихрей в поперечном направлении.

Таким образом, принимая во внимание проработанность к настоящему времени вихревых моделей сверхпроводниковых однофотонных детекторв на основе узких полосок, основной задачей моделирования становится адаптация и верификация модели для случая широких (микроны) полосок плёнки.

3.2 Выбор дальнейшего направления экспериментальных работ с целью верификации теоретических моделей и улучшения методов оптимизации изделий

С практической точки зрения актуальные проблемы планируемых экспериментов следующие:

- первостепенная задача - полное покрытие многомерного пространства рабочих точек детектора, с целью выявления всех практически интересных оптимумов рабочих режимов.

- выявление характерных особых областей поведения функции эффективности детектирования (перегибы, экстремумы, сингулярности и т.п.), их классификация и оценка влияния на эффективность прибора, временную стабильность характеристик, их воспроизводимость в производстве.

- накопление инженерной базы знаний для принятия практических решений при разработке.

С теоретической точки зрения большой интерес представляет, как можно более глубокая замена эмпирических и полуэмпирических моделей сложных много параметрических процессов на модели, имеющие под собой аналитическую основу, прямо отражающую конкретные физические процессы. Однако, в настоящее время их создание возможно в основном на уровне непосредственного моделирования кинетики отдельных квазичастиц с вычислительно сложным накоплением статистического ансамбля для представляющих практический интерес точностей моделирования. В связи с этим, наиболее полезными в ближайшей перспективе являются вихревые модели, относительно простые в реализации, но в то же время, учитывающие ряд важнейших экспериментально наблюдаемых эффектов, прежде всего - наличие переходной точки на семействах графиков квантовой эффективности в зависимости от величины и направления приложенного внешнего магнитного поля (Рис. 10).

Знакопеременное расщепление между графиками при различных величинах магнитной индукции - свидетельство заметной передачи энергии горячего пятна магнитным вихрям в сверхпроводящей плёнке. Общий эффект, наблюдаемый на серии графиков - приближение эффективности детектирования к единице при выходе на оптимальный рабочий ток смещения. Первостепенная задача создания практически интересного детектора - оптимизация рабочей точки по соотношению сигнал-шум, т.е. выбор её таким образом, чтобы по возможности высокая эффективность детектирования сочеталась с возможно меньшим темновым током. Темновой ток растёт при приближении тока смещения к критическому, т.к. при его критической плотности самые малые флуктуации тока, магнитного поля и температуры вызывают локальное разрушение сверхпроводимости. Однако, этот же энергетический порог срабатывания отвечает за спектральную чувствительность, т.к. более длинноволновые фотоны обладают меньшей энергией.

3.3 Вычислительное моделирование квантовой эффективности сверхпроводникового детектора в среде COMSOL

Среда вычислительного моделирования COMSOL-Multiphysics представляет собой мощный и удобный инструмент решения уравнений математической физики с помощью наглядного инструментария интерактивного моделирования физических объектов различной размерности и природы. В рамках данной работы представляют интерес двумерные модели, в силу работы с тонкоплёночными объектами. Применённые физические модули - электропроводность, магнетизм, теплообмен. Процесс непосредственно поглощения фотона представлен точечным моделированием соответствующих энергии кванта порций поглощённой энергии, моделирование электромагнитного взаимодействия на микроуровне не производится. Вероятность детектирования определяется применением полуэмпирических моделей к заданной геометрии детектора, материалам, ток смещения и магнитному полю.

Рис. 13. Сравнение экспериментальных данных (точки) с модельными предсказаниями (сплошные кривые) для двух положений «горячего пятна» - области детектирования фотона на сверхпроводящей плёнке. На врезке - данные для плёнки силицида вольфрама

Заключение

В ходе учебной преддипломной практики и индивидуальной проектной работы были получены знания и навыки на реальных научных установках, используемых в ходе передовых разработок в области сверхпроводящих однофотонных детекторов. Наблюдалось поведение перспективных детекторов на основании полосок микронной ширины, полученный опыт планируется использовать в собственных экспериментах.

Индивидуальная проектная работа была сосредоточена на сопоставлении актуальных теоретических моделей поглощения света сверхпроводящими тонкими плёнками и выработке оптимальной стратегии эксперимента, направленного как на более полную верификацию моделей, так и на совершенствование методов инженерной оптимизации коммерческих образцов изделий.

Главное направление развития инструментария моделирования -- наиболее полное описание многомерного пространства решений, всесторонне отражающее конструкции детекторов, с точки зрения выбора материала, его геометрии, регулировки рабочей точки по току, выбора оптимальной температуры и при необходимости - внешнего магнитного поля.

Дальнейшим развитием имеющихся вычислительных моделей видится создание программной среды непосредственного кинетического моделирования неравновесных квазичастиц и накопление массивов данных для их статистической обработки, ожидается, что это позволит продвинуться вперёд по сравнению с упрощёнными аналитическими и полуэмпирическими моделями в области точности моделирования и инженерной эффективности оптимизации.

Литература

1. Корнеева Ю.П. Квантовая эффективность сверхпроводникового однофотонного детектора на основе тонкой плёнки NbN. Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук. М.:2014

2. Korneeva Y, Manova N., Florya I., Mikhailov M., Dobrovolskiy O., Korneev A., Vodolazov D. (2019). Different single photon response of wide and narrow superconducting MoSi strips.

3. Korneeva Y., Vodolazov D., Semenov A., Florya I., Simonov N., Baeva E., Korneev A., Goltsman G., Klapwijk T.M. (2018). Optical single photon detection in micron-scaled NbN bridges. Physical Review Applied. 9. 10.1103/PhysRevApplied.9.064037.

4. Чулкова Г. М., Корнеев А. А., Гольцман Г. Н., Окунев О., Воронов Б., Каурова Н., Семенов А. Эффект однофотонного детектирования оптического и ИК излучений в тонких сверхпроводящих NBN плёнках, ISBN 978-5-42630194-8. М.: МПГУ, 2014.

5. A. N. Zotova and D. Y. Vodolazov, Photon detection by current-carrying superconducting film: A time-dependent Ginzburg-Landau approach, Physical Review B 85, 024509 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevB.85.024509

6. D. Yu. Vodolazov, Yu. P. Korneeva, A. V. Semenov, A. A. Korneev, and G. N. Goltsman Vortex-assisted mechanism of photon counting in a superconducting nanowire single-photon detector revealed by external magnetic field Phys. Rev. B 92, 104503 - Published 4 September 2015

7. Saman Jahani, Li-Ping Yang, Adrian Buganza Tepole, Joseph C. Bardin, Hong X. Tang, Zubin Jacob, Probabilistic vortex crossing criterion for superconducting nanowire single-photon detectors, DOI: 10.1063/1.5132961, https://arxiv.org/abs/1901.09291v3

Размещено на Allbest.ru