Однофотонные детекторы на основе сверхпроводящих полосок микронной ширины для квантовой оптики и фотоники

Сверхпроводниковые однофотонные детекторы SSPD уже много лет успешно конкурируют с однофотонными лавинными диодами в телекоммуникационном диапазоне длин волн 1550 нм, а в ряде случаев SSPD – единственный детектор, обеспечивающий необходимые характеристики. Обнаруженный нами эффект однофотонного детектирования в сверхпроводниковых полосках микронной ширины позволил нам в этом проекте сделать следующий шаг в технологии SSPD – создать детектор большой площади, пригодный для эффективной фокусировки света из свободного пространства и многомодовыми оптическими волокнами, значительно расширяя область применения SSPD. Нами были разработаны методы изготовления сверхпроводящих плёнок NbN и MoSi толщиной 3-6 нм с поверхностным сопротивлением 600-800 Ом/квадрат, позволяющим получать однофотонный отклик с высокой эффективностью в полосках шириной 0,5 – 3 мкм в диапазоне длин волн 0,4 – 1,5 мкм. В образцах детекторов, изготовленных из этих плёнок, нами был исследован механизм фотоотклика. Экспериментально была установлена зависимость эффективности детектирования от параметров сверхпроводящей плёнки и ширины полоски детектора. Исследуя фотоотклик микронных полосок в магнитном поле, мы обнаружили отличие механизмов формирования резистивного состояния в узких и широких полосках. Также был экспериментально исследован временной джиттер в полосках различной ширины. Для объяснения полученных результатов была разработана модель фотоотклика на основе численного решения модифицированного временного уравнения Гинзбурга-Ландау и уравнений теплопроводности для электронной и фононной температур. Было показано, что в широких сверхпроводящих полосках со слабым пиннингом вихрей и большим удельным сопротивлением неустойчивость вихревого движения начинается на краю полоски. Эффект связан с повышенной плотностью тока и локальной температуры на краю полоски, находящейся в резистивном состоянии. Наличие дефектов на краю не только уменьшают величину критического ток, но и значительно понижают величину тока неустойчивости. Также мы показали, что с увеличением ширины полоски увеличивается временной джиттер, и этот рост наиболее значителен при токах, где эффективность детектирования фотонов выходит на насыщение. Полученный эффект связан со сложной динамикой вихрей и антивихрей, которая определяется местом поглощения фотона в полоске и ее ширины. Полученные результаты были экспериментально подтверждены на широких полосках из сверхпроводников NbN, Nb-C и MoSi. Инновационный потенциал проводимых исследований определяется перспективностью их использования для создания сверхпроводниковых однофотонных детекторов с характерными размерами чувствительного элемента 50 мкм и более. Такие детекторы могут быть эффективно, с малыми оптическими потерями, пакетированы с многомодовыми оптическими волокнами, а также использоваться для регистрации света, фокусируемого на детектор непосредственно из свободного пространства без использования оптических волокон. Это, в частности, востребовано в системах построения изображения, подобных той, что мы продемонстрировали в проекте, квантовой криптографии с передачей ключа в свободном пространстве, а также для исследования однофотонной флюоресценции в биомедицинских применениях.