El detector de fotón único de nanocable superconductor ( SNSPD o SSPD ) es un tipo de detector de fotón único óptico e infrarrojo cercano basado en un nanocable 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 2021, un detector de fotón único de nanocable superconductor es el detector de fotón único (SPD) más rápido para el recuento 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. A partir de 2021, los dispositivos SNSPD comerciales están disponibles en sistemas multicanal en un rango de precio de 100.000 euros.
El SNSPD consiste en un nanocable superconductor delgado (≈ 5 nm) y estrecho (≈ 100 nm) . La longitud suele ser de cientos de micrómetros , y el nanocable está modelado en una geometría de meandro compacto para crear un píxel cuadrado o circular con alta eficiencia de detección. El nanoalambre se enfría muy por debajo de su temperatura crítica superconductora y se polariza con una corriente continua que es cercana pero menor que la corriente crítica superconductora del nanoalambre. Un fotón incidente en el nanocable rompe los pares de Cooper y reduce la corriente crítica local por debajo de la corriente de polarización. Esto da como resultado la formación de una región no superconductora localizada, o punto de acceso, con resistencia eléctrica finita.. Esta resistencia suele ser 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 para que la corriente regrese al nanocable generalmente se establece mediante la constante de tiempo inductiva del nanocable, igual a la inductancia cinética del nanocable dividida por la impedancia del circuito de lectura. [11]El restablecimiento automático adecuado del dispositivo requiere que esta constante de tiempo inductivo sea más lenta que el tiempo de enfriamiento intrínseco del punto de acceso de nanocables. [12]
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 funciona a temperaturas más altas. Se puede lograr un grado de resolución del número de fotones en matrices SNSPD, [13] a través de intervalos de tiempo [14] o esquemas de lectura avanzados. [15] 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 el funcionamiento del SNSPD en el rango de temperatura de 1 K a 4 K (compatible con helio líquido o refrigeradores criogénicos de ciclo). 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). [dieciséis]
La absorción en el nanocable superconductor puede potenciarse mediante una variedad de estrategias: integración con una cavidad óptica , [17] integración con una guía de onda fotónica [18] o adición de estructuras de nanoantena . [19] 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 [20] con tasas de recuento de decenas de MHz. [21]Las eficiencias de detección están optimizadas para un rango de longitud de onda específico en cada detector. Varían ampliamente, sin embargo, debido a las regiones altamente localizadas de los nanocables donde se reduce el área transversal efectiva para la corriente superconductora. [22]