Иллюстрация: E.D. Walsh et al / Science. Физики создали тонкий светочувствительный контакт Джозефсона на основе графена, способный обнаруживать отдельные фотоны в ближнем инфракрасном диапазоне. Причем, высокая чувствительность здесь достигается за счет взаимодействия света с поверхностными плазмонами, находящимися в очень простом контакте. Так светочувствительность подобных контактов теперь может быть использована для высокоскоростной связи с малым энергопотреблением между элементами архитектуры будущих сверхпроводящих компьютеров. Результаты исследования опубликованы в виде статьи в журнале “Science” и доступны в формате препринта. Контакт Джозефсона представляет собой структуру из двух сверхпроводников, разделенных тонким диэлектрическим слоем. Его уникальная особенность заключается в способности куперовских пар электронов, отвечающих за перенос тока в сверхпроводнике, туннелировать через такой контакт. Данный механизм нашел исключительно широкое применение, от высокочувствительной магнитометрии до реализации кубитов.
Контакт на основе Джозефсона на основе графена, используемый в работе. E.D. Walsh et al / Science
Кубиты на основе джозефсоновских контактов считаются одними из самых перспективных, однако их разработка столкнулась с тем, что ионизирующее излучение из окружающей среды приводит к распаду куперовских пар на квазичастицы и, как следствие, к разрушению когерентного состояния. Вместе с тем свойство куперовских пар распадаться под действием излучения можно использовать для его детектирования. Физики долгое время пытались повысить чувствительность детекторов света на основе контакта Джозефсона, но до недавних пор все попытки создать на его основе простой детектор одиночных фотонов с низким потреблением энергии были безуспешны.
В новой работе физики из США, Южной Кореи, Испании и Японии под руководством Кин Чунг Фонг (Kin Chung Fong) из Raytheon BBN Technologies продемонстрировали работу детектора одиночных фотонов ближнего ИК-диапазона на основе распада куперовских пар в джозефсоновском контакте. Для этого они использовали монослой графена, упакованный между слоями гексагонального нитрида бора, в качестве интерфейса между двумя сверхпроводящими контактами из нитрида ниобия. В сверхпроводящем контуре поддерживался ток смещения Ib, а вся система была охлаждена до 27 милликельвин.
До поглощения света джозефсоновский контакт находится в сверхпроводящем состоянии с нулевым падением напряжения на нем. Попавший на него фотон вызывает многочисленные процессы распада куперовских пар на квазичастицы, которые диффундируют по контакту, создавая шумовой ток. Этот ток переводит контакт из сверхпроводящего состояния в состояние с ненулевым сопротивлением, что сразу же фиксируется приложенным к нему вольтметром. После регистрации фотона система возвращается в начальное состояние.
Авторы проверили работу детектора, измеряя статистику падающего на контакт света. Они меняли интенсивность источника и собирали информацию об отсчетах, зарегистрированных в течение 104 секунд. Для каждой из интенсивностей была построена гистограмма числа отсчетов, зафиксированных за секундное окно. Физики показали, что полученные гистограммы с высокой точностью демонстрируют пуассонову статистику, что свидетельствует об отсутствии корреляций в отсчетах, а значит и о том, что источник испускал классический (несжатый) свет. Опираясь на этот факт, авторы измеряли зависимость вероятности отсчета за 20 микросекунд от среднего числа фотонов, линейное поведение которой доказало, что фотоны падают на контакт преимущественно поодиночке.
(A) Гистограммы распределения числа отсчетов за одну секунду для разных интенсивностей света. (B) Вероятность отсчета детектора как функция среднего числа фотонов, попавших на образец за 20 миллисекунд. E.D. Walsh et al / Science
Помимо этого, физики проверили зависимость работы детектора от других параметров, таких как температура, ток смещения, а также поляризация падающего света. Влияние последней было объяснено связью геометрии джозефсоновского контакта с возбуждением локализованных поверхностных плазмонов, которые ответственны за усиление взаимодействия всей структуры со светом. С помощью программного пакета High Frequency Structural Simulator авторы промоделировали этот процесс и выяснили, что сильнее всего фотоны поглощаются, когда вектор электрического поля параллелен краю контакта.
Авторы планируют в будущем улучшить эффективность однофотонного детектора за счет большего понимания механизмов поглощения фотона, а также за счет применения элементов нанофотоники. Кроме того, они надеются, что результаты их работы позволят эффективнее защищать джозефсоновские контакты при использовании их в квантовых компьютерах.
Ранее мы писали о том, как контакты Джозефсона помогают создавать искусственные синапсы и чувствительные магнитометры.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
