NIST увеличил фотонный сенсор в сотни раз и сократил ложные срабатывания в миллиард раз
Физики десятилетиями уменьшали сверхпроводящие однофотонные детекторы до нанометровых размеров, рассчитывая выжать из устройств максимальную чувствительность. Исследователи Национального института стандартов и технологий США (NIST) пошли в противоположную сторону и увеличили ширину чувствительного элемента более чем в 100 раз. Новый подход позволил довести детектор до предела, заданного свойствами самого сверхпроводника, резко подавить ложные срабатывания и упростить производство крупных сенсоров для квантовых сетей, медицинской диагностики и астрономии.
Работу группа Кристен Парзуховски и Элая Мюллера опубликовала 19 августа в журнале Optica. Подробности эксперимента 24 августа раскрыл NIST. Исследователи создали сверхпроводящие однофотонные детекторы шириной до 0,1 мм, или 100 мкм. Типичный SNSPD использует сверхпроводящую полоску шириной около 100 нм, поэтому новый чувствительный элемент оказался более чем в 100 раз шире привычных конструкций.
SNSPD регистрирует отдельные кванты света благодаря переходу небольшого участка сверхпроводника в обычное состояние. Через охлажденную полоску проходит ток, а поглощенный фотон локально нагревает материал и образует горячую область. Сверхпроводимость на короткое время нарушается, возникает электрический импульс, который фиксирует электроника. Подобные сенсоры применяют там, где приходится работать буквально с единичными фотонами: в квантовой связи и вычислениях, оптической связи с космическими аппаратами, биомедицинской визуализации, астрономических наблюдениях и экспериментах по поиску темной материи.
Современные SNSPD уже способны регистрировать более 98% поступающих фотонов. Подобную эффективность NIST продемонстрировал еще в 2020 году для излучения с длиной волны 1550 нм. Однако высокая чувствительность требует сложного нанопроизводства, а края сверхпроводящей полоски мешают приблизиться к теоретическим возможностям материала.
Проблему создает неравномерное распределение тока. Плотность тока растет возле краев полоски, чему дополнительно способствуют микроскопические дефекты литографии и магнитный эффект Мейснера. Краевые области в результате раньше достигают критического состояния, поэтому весь детектор приходится эксплуатировать при токе ниже предела, который способен выдержать сам сверхпроводящий материал. Снижение рабочего тока особенно мешает регистрации слабых низкоэнергетических фотонов и повышает значение паразитных процессов.
Исследователи добавили по обе стороны чувствительной полоски два дополнительных сверхпроводящих проводника, которые в статье называют rails, или направляющими. Через направляющие пропускают ток в том же направлении, что и через центральную полоску. Возникающее магнитное поле меняет распределение тока внутри детектора, снижает плотность возле краев и переносит максимум ближе к центру. Подробное описание конструкции авторы также разместили в открытом препринте.
Для центральной полоски исследователи использовали тонкую пленку силицида вольфрама WSi, а направляющие изготовили из ниобия. Регулируя ток в боковых проводниках уже во время работы устройства, физики смогли управлять распределением тока внутри чувствительного элемента и приблизить рабочий режим к фундаментальному пределу, который определяется свойствами материала, а не дефектами краев.
На полоске шириной 100 мкм включение направляющих радикально подавило темновые отсчеты, то есть сигналы, возникающие без регистрации нужного фотона. В исследовании авторы сообщают о снижении темновых отсчетов более чем на десять порядков в отдельных измерениях, тогда как официальный материал NIST описывает достигнутый рекорд как уменьшение ложных срабатываний в миллиард раз. Разница связана с формулировками для разных измерений и версий результатов, поэтому универсальным показателем для всей конструкции считать десять порядков нельзя.
Направляющие дали и другие преимущества. Для излучения с длиной волны 1550 нм диапазон рабочих токов, в котором детектор стабильно регистрировал фотоны, расширился более чем на 40%. В другом образце новая схема вернула устойчивую регистрацию фотонов при 1550 нм детектору, который без направляющих практически не работал в нужном режиме.
Еще более показательный результат исследователи получили в среднем инфракрасном диапазоне. Полоска шириной 20 мкм продемонстрировала близкую к 100% внутреннюю эффективность регистрации фотонов с длиной волны 4 мкм. Ширина чувствительного элемента примерно в 20 раз превышает уровень, который авторы называют прежним состоянием техники для подобного режима. Включение направляющих дополнительно уменьшило временной джиттер детектора примерно на 30%.
Увеличение размеров решает сразу несколько инженерных проблем. Нанометровые полоски требуют высокоточной литографии, а широкие чувствительные элементы проще изготавливать и масштабировать. Более широкая полоска также формирует более сильный выходной электрический сигнал, облегчает попадание света на чувствительную область и устраняет зависимость регистрации от поляризации падающего излучения.
Авторы считают, что технология способна вывести ширину чувствительных элементов за пределы 0,1 мм и в перспективе перейти к миллиметровому масштабу. Подобный переход позволит собирать крупные массивы однофотонных сенсоров с большой площадью приема без чрезвычайно плотной нанометровой разводки. NIST уже занимается масштабированием SNSPD: в 2023 году специалисты института показали сверхпроводящую однофотонную камеру на 400 000 пикселей.
Широкие сенсоры особенно интересны для задач, где источник дает крайне мало света. В медицине NIST называет диффузную корреляционную спектроскопию, при которой свет проходит через ткани, а по рассеянным фотонам исследователи оценивают кровоток. В астрономии чувствительные элементы могут регистрировать слабое инфракрасное излучение далеких объектов, а в квантовых сетях помогают извлекать информацию из отдельных фотонов после прохождения по оптическому каналу.
Новый детектор пока не заменяет лучшие нанометровые SNSPD. Исследователи не установили, сможет ли широкая конструкция обеспечить системную эффективность около 98%, уже достигнутую традиционными сенсорами, и для ответа потребуются дополнительные испытания. Главный результат работы заключается в другом: физики показали, что уменьшение чувствительного элемента до нанометрового масштаба не является обязательным условием для работы на пределе возможностей сверхпроводника. Управление распределением тока позволяет сделать однофотонный сенсор в сотни раз шире, одновременно снизив шум и сохранив чувствительность к очень слабому свету.