Создан детектор единичных фотонов за счет графена

За последнее десятилетие к новой технологии детектора одиночных фотонов возрос значительный интерес. Сегодня квантовая оптика и методы квантовой информации, наравне с другими, являются главными предвестниками ускоренного развития детекторов одиночных фотонов.

Такие детекторы способны увеличивать температуру отдельно взятого фотона и могут помочь в изучении и понимании, например, галактического образования через космический фон ИК-излучения, исследовать запутанность сверхпроводящих кубитов или улучшить методы распространения квантовых ключей для сверхбезопасной коммуникации.

Современные детекторы эффективны в обнаружении входящих фотонов с относительно большими энергиями, но их чувствительность существенно уменьшается для низкочастотных, низкоэнергетических фотонов (то есть в конечном счете зафиксировать обнаружение одиночных фотонов будет весьма сложно). В последние годы было выявлено, что графен может быть исключительно эффективным фото-детектором для широкого электромагнитного спектра, что позволяет применять новые типы методов в этой области.

Так, в недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review Applied и отмеченной Американским физическим обществом, ученые ICFO и руководитель команды ученых проф. Дмитрий Ефетов, в сотрудничестве с учеными из Гарвардского университета, MIT, BBN Technologies и Пхоханского университета науки и технологии, предложили использовать переходы Джозефсона на основе графена для обнаружения отдельных фотонов в широком электромагнитном спектре, находящимся от нижних частот видимого спектра до нижних радиочастот, в диапазоне гигагерц.

В своей работе ученые представили лист графена, который поместили между двух сверхпроводящих слоев. Созданный таким образом переход Джозефсона позволяет сверхпроводящему току проходить через графен, охлажденный до 25 мК. При таких условиях теплоемкость графена так низка, что, когда отдельный фотон подогревает слой графена, он может нагреть электронную ванну так сильно, что сверхпроводящий ток получит сопротивление – чем вызовет легко обнаружимый скачок напряжения в устройстве. К тому же, этот эффект может возникнуть почти мгновенно, таким образом обеспечив сверхбыстрый переход замкнутого света в электрические сигналы и создав возможность быстрого сброса и вывода.

Результаты исследования подтверждают, что во взаимодействии графена и других 2D-материалов с обычными электронными платформами, такими как CMOS-чипы, возможен быстрый прогресс. Это положит начало развитию однофотонных проецирующих матриц, методов работы с квантовой информацией оптических и микроволновых фотонов, а также других методов, наиболее выгодных по сравнению с квантово-ограниченным обнаружением низкоэнергетических фотонов.

Пояснения к изображениям:

Fig. 1.

Общее представление устройства определения отдельного фотона с использованием перехода Джозефсона на основе графена.

Fig. 2.

Схема устройства для (a) микроволнового и (b) инфракрасного обнаружение отдельного фотона. (a) Комок графена находится на пучности тока полуволнового СВЧ-резонатора для максимизации эффективности на входе. Две стадии индукторов и конденсаторов образуют сеть с высоким сопротивлением на микроволновых частотах для измерений прямого действия GJJ. (b) Лист графена лежит наверху PC-резонатора для увеличения его поглощение через критическое соединение. Свет попадает в резонатор через волновод на чипе. (c) Результаты моделирования критического соединения. (d) Спектр, показывающий зависимость длины волны от отражения R_r, поглощение T_a и мощность рассеяния T_s. (e) Поперечный и (f) плоскостной вид крупного плана моды резонатора |E|^2 с использованием линейной шкалы. Параметры структуры: толщина мембраны, h = 250 мм; период решетки, a = 0,27 ?; полный радиус, r = 0,31a; ширина впадины резонатора, w_s = 0,032 ?; сдвиг отверстий резонатора, d_1 = 0,365a и d_2 = 0,153a; ширина волновода, w_w = 2(W?3a / 2 – r), где W = 1,04. Отверстия на концах PC-волновода перемещаются по оси x при s_1 = 0,44a, s_2 = 0,27a и s_3 = 0,1a.

Fig. 3.

(a) Удельная теплоемкость листа графена 1 - ?m^2 как функция базовой температуры. (b) Возрастание исходной температуры в сравнении с частотой плотности электронов n_0 = 1,7 x 10^(12 ) см^(-2) (сплошная, в качестве модели), 10^(11 ) см^(-2) (заштрихованная) или 10^(10 ) см^(-2) (пунктирная) при базовой температуре 25 мК (синий) или 3 К (сиреневый). Для ИК-датчика T_0 = 3 К достаточно, но для микроволнового обнаружения требуется более низкое T_0, чтобы достичь заметных температурных изменений. (c) Энергетическое разрешение и температурные изменения листа графена 1-?m^2 при n_0, показывая собственный шум калориметра.

Остальные результаты экспериментов см. в приложении. Оригинал статьи прикреплен к записи.

Источник:

https://phys.org/news/2017-09-graphene-photon-detectors.html

Источник: phys.org

Комментарии: