초전도 나노와이어 단광 검출기

Superconducting nanowire single-photon detector
Scanning electron micrograph of a superconducting nanowire single-photon detector.
초전도 나노와이어 단일광자 검출기(SNSPD)의 거짓 색상 스캐닝 전자 마이크로그래프. 이미지 크레딧: NIST.
BBN에 있는 DARPA Quantum Network 실험실의 초전도 나노와이어 단일광자 검출기, 2005년 6월

초전도 나노와이어 단광 검출기(SNSPD 또는 SSPD)는 전류 편향 나노와이어를 기반으로 한 광학 및 근적외선 단광 검출기의 일종이다.[1] 그것은 2001년에 모스크바 주 교육학 대학과 로체스터 대학의 과학자들에 의해 처음 개발되었다.[2][3] 최초의 완전 작동 프로토타입은 2005년 국립표준기술원(Boulder)과 BBN Technologies가 DARPA 양자 네트워크의 일부로 시연했다.[4][5][6][7]

2021년 현재 초전도 나노와이어 단일광자 검출기는 광자 집계에 가장 빠른 단일광자 검출기(SPD)이다.[8][9][10] 양자광학, 광 양자기술의 핵심 활성화 기술이다. SNSPD는 다른 유형의 단일 포토톤 검출기에 비해 매우 높은 검출 효율성, 매우 낮은 다크 카운트 속도 및 매우 낮은 타이밍 지터로 사용할 수 있다. 2021년 현재 상용 SNSPD 장치는 10만 유로의 가격대의 다채널 시스템에서 사용할 수 있다.

작동 원리

SNSPD는 얇은 초전도성 나노와이어(높이 5 nm) 및 좁은 (높이 100 nm)로 구성된다. 길이는 보통 수백 마이크로미터로 나노와이어는 콤팩트한 미더 기하학으로 무늬를 새겨 검출 효율이 높은 사각형이나 원형 픽셀을 만든다. 나노와이어는 초전도 임계 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 냉각되며 나노와이어의 초전도 임계 전류에 가깝지만 적은 DC 전류로 편향된다. 나노와이어에서 광자 사고가 발생하면 쿠퍼 쌍이 깨지고 바이어스 전류보다 낮은 국부 임계 전류가 감소한다. 이로 인해 한정된 전기 저항을 가진 국부적 비초전도 지역 또는 핫스팟이 형성된다. 이 저항은 일반적으로 판독 증폭기의 50Ω 입력 임피던스보다 크므로 대부분의 바이어스 전류가 앰프로 이동한다. 이 경우 바이어스 전류에 50Ω을 곱한 값과 거의 동일한 측정 가능한 전압 펄스가 생성된다. 대부분의 바이어스 전류가 앰프를 통해 흐르면서 비초전도 영역이 냉각되어 초전도 상태로 되돌아간다. 전류가 나노와이어로 되돌아오는 시간은 일반적으로 나노와이어의 유도 시간 상수에 의해 설정되며, 이는 나노와이어의 운동 인덕턴스를 판독 회로의 임피던스로 나눈 것과 같다.[11] 기기의 적절한 자가설정을 위해서는 이 유도 시간 상수가 나노와이어 핫스팟의 고유 냉각 시간보다 느릴 필요가 있다.[12]

SNSPD는 초전도 전환 에지 센서의 고유 에너지 또는 광자 수 분해능과 일치하지 않지만, SNSPD는 기존 전환 에지 센서보다 상당히 빠르고 높은 온도에서 작동한다. SNSPD 어레이에서 시간 빈[14] 또는 고급 판독 체계를 통해 [13]광자 수 분해능의 정도를 달성할 수 있다.[15] 대부분의 SNSPD는 질화 니오비움(NbN)으로 만들어지며, 비교적 높은 초전도 임계 온도( 10 10K)를 제공하여 액체 헬륨 또는 현대식 폐쇄 사이클 극저온기와 호환된다. NbN의 고유 열 시간 상수는 짧아서 광자 흡수 후(<100 피코초) 냉각 시간이 매우 빠르다.[16]

초전도 나노와이어의 흡수는 광학 공동과의 통합,[17] 광학 도파관과의[18] 통합 또는 나노안테나 구조의 추가 등 다양한 전략에 의해 촉진될 수 있다.[19] NbN, NbTiN, WSi 및 MoSi의 SNSPD 캐비티 디바이스는 1550nm 파장에서[20] 98% 이상의 파이버 커플링 디바이스 감지 효율성과 수십 MHz의 카운트 속도를 보였다.[21] 검출 효율성은 각 검출기의 특정 파장 범위에 대해 최적화된다. 그러나 초전도 전류에 대한 효과적인 단면적이 감소되는 나노와이어의 고도로 국지화된 지역 때문에 매우 다양하다.[22]

또한 SNSPD 장치는 최대 3피코초까지 광자 도착 시간의 불확실성인 예외적으로 낮은 지터를 입증했다.[23][24] 타이밍 지터는 시간 관련 단일 포토톤 계수(TCSPC)[25] 애플리케이션에 매우 중요한 속성이다. 더욱이 SNSPD는 검출된 광자가 없을 때 전압 펄스가 발생하는 등 어두운 계수의 비율이 극히 낮다.[26] 또한 데드타임(탐지기가 민감하지 않은 검출 이벤트 이후의 시간 간격)은 몇 나노초 단위로, 이 짧은 데드타임은 포화 카운트 속도가 매우 높으며 단일 검출기로 안티펀치 측정을 가능하게 한다.[27]

그러나 더 긴 파장 광자의 검출에 대해서는 표준 SNSPD의 검출 효율이 크게 떨어진다.[28] 최근의 노력과mid-infrarednear-infrared 파장으로 검출 효율을 향상시키기 위해 더 좁(20nm와 30nm폭)NbN nanowires[29]의 연구들도 대체 초전도 materials[30]의 NbN(tungsten silicide,[31일]니오븀 silicide,[32]molybd보다 낮은 초전도 임계 온도와 광범위한 연구를 포함한다.enum silicide[33]질화 탄탈륨(nd tantalum nitride[34]). 최대 10마이크로미터 파장에 이르는 단일 광자 감도가 최근 텅스텐 규산염 SNSPD에서 입증되었다.[35] 원자층 증착과 같은 대체 박막 증착 기술은 SNSPD의 스펙트럼 범위와 확장성을 큰 영역으로 확장하는데 관심이 있다.[36] 고온 초전도체는 SNSPD에 대해 조사되었지만 성공에는 한계가 있었다.[37] 에너지 갭이 증가하면 적외선 광자에 대한 민감도가 감소한다. SNSPD는 눈에 보이는 적외선과 근접한 적외선에서 어떤 단일 광자 감도를 가진 디보라이드 마그네슘으로부터 생성되었다.[38][39]

대형 멀티픽셀 어레이 및 카메라로 SNSPD를 확장하는 데 상당한 관심과 노력이 있다.[40][41] 최근 킬로픽셀 SNSPD 어레이가 보고되었다.[42] 핵심 과제는 판독이다.[43] 판독은 초전도 단일 플럭스 양자 논리를 사용하여 멀티플렉싱[44][45] 또는 디지털 판독을 통해 해결할 수 있다.[46]

적용들

SNSPD의 초기 응용 시연의 상당수는[48] 양자키 분포와 광학 양자 컴퓨팅과 같은 [47]양자 정보 영역에 있었다.[49][50] 다른 신흥은 현재 애플리케이션 q. 적외선 발광의 결함 분석을 위해 이온 트랩에 CMOScircuitry,[51]단일 광자 이미터 characterization,[52]LIDAR,[53][54]온칩 양자 optics,[55][56]광학 뇌신경 computing,[57]광섬유 온도 sensing,[58]광 시간 영역 reflectometry,[59]판독기 영상을 포함한다Ubits,[60]양자 plasmonics,[61][62]단일 e.렉트론 검출,[63] 단일 α 및 β 입자 검출,[64] 싱글릿 산소 발광 검출,[65] 심우주 광학 통신,[66][67] 암흑 물질 검색[68] 및 외부랜넷 검출.[69] 전 세계 수많은 기업들이 싱글 퀀텀, 포토온스팟, 스콘텔, 퀀텀 오퍼스, ID 퀀텀 퀀텀 퀀티크 등 초전도 나노와이어 기반의 완전한 단일광자 검출 시스템을 성공적으로 상용화하고 있다. SNSPD 기술의 폭넓은 채택은 4K 이하 냉동기의 발전과 밀접하게 연관되어 있으며, 최근 소형 시스템에서 SNSPD가 입증되고 있다.[70]

참조

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