2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Physiker haben einen lichtempfindlichen Josephson-Übergang auf Graphenbasis entwickelt, der einzelne Photonen im nahen Infrarotbereich nachweisen kann. Dies ist auf die Bindung von Licht an in Kontakt stehende Oberflächenplasmonen zurückzuführen. Diese hohe Lichtempfindlichkeit kann für eine schnelle Kommunikation mit geringem Stromverbrauch zwischen Architekturkomponenten zukünftiger supraleitender Computer verwendet werden. Die Ergebnisse wurden als Artikel in Science und als Preprint veröffentlicht.
Ein Josephson-Übergang ist eine Struktur aus zwei Supraleitern, die durch eine dünne dielektrische Schicht getrennt sind. Seine Besonderheit liegt darin, dass Cooper-Elektronenpaare, die für die Stromübertragung in einem Supraleiter verantwortlich sind, durch einen solchen Kontakt tunneln können. Für diesen Mechanismus wurden zahlreiche Anwendungen gefunden, die von der hochempfindlichen Magnetometrie bis zur Implementierung von Qubits reichen.
Qubits auf Basis von Josephson-Kontakten gelten als eine der vielversprechendsten, ihre Entwicklung war jedoch mit der Tatsache konfrontiert, dass ionisierende Strahlung aus der Umgebung zum Zerfall von Cooper-Paaren in Quasiteilchen und damit zur Zerstörung des kohärenten Zustands führt. Gleichzeitig kann die Eigenschaft von Cooper-Paaren, unter Einwirkung von Strahlung zu zerfallen, zu ihrem Nachweis genutzt werden. Physiker haben lange versucht, die Empfindlichkeit von Lichtdetektoren auf Basis des Josephson-Übergangs zu erhöhen, aber bis vor kurzem waren alle Versuche erfolglos, auf dieser Basis einen einfachen Detektor aus Einzelphotonen mit geringem Energieverbrauch zu schaffen.
In einer neuen Arbeit demonstrierten Physiker aus den USA, Südkorea, Spanien und Japan unter der Leitung von Kin Chung Fong von Raytheon BBN Technologies den Betrieb eines Einzelphotonendetektors im nahen Infrarotbereich basierend auf dem Zerfall von Cooper-Paaren in a Josephson-Kreuzung. Dazu verwendeten sie eine zwischen Schichten aus hexagonalem Bornitrid gepackte Graphen-Monoschicht als Grenzfläche zwischen zwei supraleitenden Niobnitrid-Kontakten. Der Vorstrom Ib wurde im supraleitenden Kreis aufrechterhalten, und das gesamte System wurde auf 27 mkelvin gekühlt.
Graphen-basierter Josephson-Kontakt, der in der Arbeit verwendet wird
Vor der Lichtabsorption befindet sich der Josephson-Übergang in einem supraleitenden Zustand mit einem Spannungsabfall von null daran. Ein auftreffendes Photon verursacht zahlreiche Zerfallsprozesse von Cooper-Paaren in Quasiteilchen, die entlang des Kontakts diffundieren und einen Rauschstrom erzeugen. Dieser Strom überführt den Kontakt von einem supraleitenden Zustand in einen Zustand mit einem Widerstand ungleich Null, der sofort von einem daran angelegten Voltmeter aufgezeichnet wird. Nach der Registrierung eines Photons kehrt das System in seinen Ausgangszustand zurück.
Die Autoren überprüften die Funktion des Detektors, indem sie die Statistik des auf den Kontakt einfallenden Lichts maßen. Sie änderten die Intensität der Quelle und sammelten Informationen über die für 104 Sekunden aufgezeichneten Zählungen. Für jede der Intensitäten wurde ein Histogramm der Anzahl der in einem zweiten Fenster aufgezeichneten Zählungen aufgezeichnet. Physiker haben gezeigt, dass die erhaltenen Histogramme Poisson-Statistiken mit hoher Genauigkeit zeigen, was darauf hinweist, dass es keine Korrelationen in den Proben gibt und die Quelle daher klassisches (unkomprimiertes) Licht emittiert. Basierend auf dieser Tatsache maßen die Autoren die Abhängigkeit der Wahrscheinlichkeit des Zählens in 20 Mikrosekunden von der durchschnittlichen Anzahl von Photonen, deren lineares Verhalten bewies, dass Photonen hauptsächlich einzeln auf den Kontakt fallen.
(A) Histogramme der Verteilung der Anzahl der Proben pro Sekunde für verschiedene Lichtintensitäten. (B) Wahrscheinlichkeit einer Detektorzählung als Funktion der durchschnittlichen Anzahl von Photonen, die in 20 Millisekunden auf die Probe treffen.
Darüber hinaus testeten Physiker die Abhängigkeit des Detektorbetriebs von anderen Parametern wie Temperatur, Vorstrom und Polarisation des einfallenden Lichts. Der Einfluss des letzteren wurde durch den Zusammenhang zwischen der Geometrie des Josephson-Übergangs und der Anregung lokalisierter Oberflächenplasmonen erklärt, die für die Verstärkung der Wechselwirkung der gesamten Struktur mit Licht verantwortlich sind. Mit dem Softwarepaket High Frequency Structural Simulator simulierten die Autoren diesen Prozess und stellten fest, dass Photonen am stärksten absorbiert werden, wenn der elektrische Feldvektor parallel zur Kontaktkante verläuft.
Die Autoren planen in Zukunft, die Effizienz eines Einzelphotonendetektors durch ein besseres Verständnis der Mechanismen der Photonenabsorption sowie durch den Einsatz nanophotonischer Elemente zu verbessern. Darüber hinaus hoffen sie, dass die Ergebnisse ihrer Arbeit einen effektiveren Schutz von Josephson-Übergängen beim Einsatz in Quantencomputern ermöglichen.
Zuvor haben wir darüber geschrieben, wie Josephson-Pins dazu beitragen, künstliche Synapsen und empfindliche Magnetometer zu erzeugen.
