电感型超导转变边缘单光子探测器研究

Inductive superconducting edge transition detectors (ISTED) are composed of a niobium (Nb) nano superconducting quantum interference device (Nano-SQUID) for weak signal readout and a superconducting NbSix film for absorbing the photon radiation. The Nano-SQUID is based on two nanobridges which show the Josephson effect. The scale of the nanobridge is less than 100nm, and the diameter of the superconducting loop is from 1μm to 20μm. The white noise spectral density is lower than 5μΦ0/√Hz. The superconducting transition temperature of the NbSix film will be adjusted to the working temperature (above 4.2K) of Nano-SQUID by controlling the ratio of Nb to Si and the film thickness. The quantum efficiency will be improved to 10% by controlling the ratio of Nb to Si and fabricating micro and nano strctures on the surface of NbSix film to form a photon trap well which is similar to a blackbody cavity.

本项目研究由信号读出用极低噪声铌（Nb）基纳米桥型超导量子干涉器件（Nano-SQUID）和制作于Nano-SQUID超导环内作为光子吸收层的超导转变敏感NiSix膜组成的电感型超导边缘转变单光子探测器。其中Nano-SQUID器件基于双纳米桥约瑟夫森隧穿结构，纳米桥的尺寸小于100nm，超导环直径为1μm到20μm，磁通白噪声谱密度低于5μΦ0/√Hz；超导转变敏感NiSix膜的超导转变温度通过调控Nb和Si的比例和薄膜厚度调整到Nano-SQUID的最佳工作温度(4.2K 以上)；通过调控NiSix膜中Nb/Si比例和表面制作类黑体腔微纳结构光子陷阱，将电感型超导边缘转变单光子探测器的量子效率提高到10%。

本项目针对单光子基准所需具备能量分辨和光子数分辨的单光子探测器开展研究，研制电感型超导边沿转变探测器件（ISTED）。研究了超导薄膜制备技术、信号读出用纳米超导量子干涉器件（nano-SQUID）、超导吸收膜、光学谐振腔、测试系统搭建和ISTED制备技术。. 在超导薄膜制备方面，Nb膜超导转变温度Tc可以实现6.65 K到9.2 K间调节；NbxSi1-x超导转变温度Tc从 8.2 K到5.2 K可调；超导环直径为20 μm、纳米桥结尺寸为60 nm×60 nm的nano-SQUID器件，6.6 K，偏置电流为153 µA时，电压调制幅度为136 μV，转换函数为0.61 mV/Φ0；超导环直径为200 nm、纳米桥结尺寸为42 nm×60 nm的nano-SQUID器件，4.8 K, 偏置电流为160 μA，电流调制深度为 32.4 %，转换函数和调制电压峰峰值分别为8.53 mV/Φ0和430 μV。理论噪声为0.03 μΦ0/Hz1/2，典型测试值为 0.33 μΦ0/Hz1/2。在吸收膜上下制备由全反Al膜、SiO2和NbxSi1-x膜构成的光学谐振腔，可以将反射率降到5%以下。制备了超导环边长为15 μm的ISTED器件，集成了超导吸收膜和减反光学谐振腔。. 本项目的最终研究成果为能量和单光子分辨的ISTED器件，为国家单光子基准系统、可移动便携式单光子基标准系统的核心器件。ISTED最佳工作温度到4.2 K以上，为单光子探测系统的大量现场应用提供原级计量校准。ISTED所用极低噪声nano-SQUID用于精密测量。如纳米粒子磁性测量、自旋测量等。将为超导类探测器的技术研究和宽适用环境应用提供丰富的经验，对我国光学量子计量基标准的建立和精密测量技术的提升具有重要的科学和应用意义。