Superconducting nanowire single-photon detector
সুপারকন্ডাক্টিং ন্যানোওয়্যার সিঙ্গেল-ফোটন ডিটেক্টর (এস. এন. এস. পি. ডি বা এস. এস. পি. ডি) হল এক ধরনের অপটিক্যাল এবং নিকট-ইনফ্রারেড সিঙ্গেল-ফোটন ডিটেক্টর যা বর্তমান-পক্ষপাতদুষ্ট সুপারকন্ডাক্টিং ন্যানোওয়ারের উপর ভিত্তি করে তৈরি। এটি প্রথম 2001 সালে মস্কো স্টেট পেডাগজিকাল ইউনিভার্সিটি এবং রচেস্টার বিশ্ববিদ্যালয়ের বিজ্ঞানীরা তৈরি করেছিলেন। প্রথম সম্পূর্ণরূপে কার্যকরী প্রোটোটাইপ 2005 সালে ন্যাশনাল ইনস্টিটিউট অফ স্ট্যান্ডার্ডস অ্যান্ড টেকনোলজি (বোল্ডার) এবং বিবিএন টেকনোলজিস দ্বারা ডারপা কোয়ান্টাম নেটওয়ার্কের অংশ হিসাবে প্রদর্শিত হয়েছিল। 2023 সালের হিসাবে, একটি সুপারকন্ডাক্টিং ন্যানোওয়্যার একক-ফোটন ডিটেক্টর হল ফোটন গণনার জন্য দ্রুততম একক-ফোটন ডিটেক্টর (এস. পি. ডি)। এটি কোয়ান্টাম অপটিক্স এবং অপটিক্যাল কোয়ান্টাম প্রযুক্তির জন্য একটি মূল সক্রিয়কারী প্রযুক্তি। অন্যান্য ধরনের সিঙ্গল-ফোটন ডিটেক্টরের তুলনায় এস. এন. এস. পি. ডি খুব উচ্চ সনাক্তকরণ দক্ষতা, খুব কম ডার্ক কাউন্ট রেট এবং খুব কম টাইমিং জিটার সহ পাওয়া যায়। এস. এন. এস. পি. ডি আন্তর্জাতিক বৈদ্যুতিন প্রযুক্তি কমিশন (আই. ই. সি) আন্তর্জাতিক মান দ্বারা আচ্ছাদিত। 2023 সালের হিসাবে, বাণিজ্যিক এস. এন. এস. পি. ডি ডিভাইসগুলি মাল্টি চ্যানেল সিস্টেমে 100,000 ইউরোর মূল্য পরিসরে পাওয়া যায়। অপারেশনের নীতি এস. এন. এস. পি. ডি একটি পাতলা (≈ 5 এন. এম) এবং সংকীর্ণ (≈ 100 এন. এম) অতিপরিবাহী ন্যানোওয়্যার নিয়ে গঠিত। দৈর্ঘ্য সাধারণত শত শত মাইক্রোমিটার হয় এবং ন্যানোওয়্যারটি উচ্চ সনাক্তকরণ দক্ষতার সাথে একটি বর্গক্ষেত্র বা বৃত্তাকার পিক্সেল তৈরি করতে একটি কমপ্যাক্ট মিন্ডার জ্যামিতিতে প্যাটার্ন করা হয়। ন্যানোওয়্যারটি তার অতিপরিবাহী ক্রিটিক্যাল তাপমাত্রার অনেক নিচে শীতল করা হয় এবং একটি ডিসি কারেন্টের সাথে পক্ষপাতদুষ্ট হয় যা ন্যানোওয়ারের অতিপরিবাহী ক্রিটিক্যাল কারেন্টের কাছাকাছি কিন্তু তার চেয়ে কম। ন্যানোওয়ারের একটি ফোটন ঘটনা কুপার জোড়া ভেঙে দেয় এবং বায়াস কারেন্টের নিচে স্থানীয় ক্রিটিক্যাল কারেন্টকে হ্রাস করে। এর ফলে সীমাবদ্ধ বৈদ্যুতিক প্রতিরোধ সহ একটি স্থানীয় অ-সুপারকন্ডাক্টিং অঞ্চল বা হটস্পট তৈরি হয়। এই প্রতিরোধ সাধারণত রিডআউট পরিবর্ধকের 50 ওহম ইনপুট প্রতিবন্ধকতার চেয়ে বড়, এবং তাই বেশিরভাগ বায়াস কারেন্ট পরিবর্ধকের দিকে সরে যায়। এটি একটি পরিমাপযোগ্য ভোল্টেজ পালস তৈরি করে যা প্রায় 50 ওহম দ্বারা গুণিত বায়াস কারেন্টের সমান। পরিবর্ধকের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত বেশিরভাগ বায়াস কারেন্টের সাথে, অ-সুপারকন্ডাক্টিং অঞ্চলটি শীতল হয়ে যায় এবং সুপারকন্ডাক্টিং অবস্থায় ফিরে আসে। ন্যানোওয়্যারে বিদ্যুৎ ফিরে আসার সময় সাধারণত ন্যানোওয়ারের ইন্ডাক্টিভ টাইম কনস্ট্যান্ট দ্বারা নির্ধারিত হয়, যা রিডআউট সার্কিটের প্রতিবন্ধকতা দ্বারা ভাগ করা ন্যানোওয়ারের কাইনেটিক ইন্ডাক্টেন্সের সমান। যন্ত্রটির সঠিক স্ব-পুনঃনির্ধারণের জন্য এই ইন্ডাক্টিভ সময় ধ্রুবকটি ন্যানোওয়্যার হটস্পটের অভ্যন্তরীণ শীতল সময়ের চেয়ে ধীর হতে হবে। যদিও এস. এন. এস. পি. ডি সুপারকন্ডাক্টিং ট্রানজিশন এজ সেন্সরের অভ্যন্তরীণ শক্তি বা ফোটন-নম্বর রেজোলিউশনের সাথে মেলে না, এস. এন. এস. পি. ডি প্রচলিত ট্রানজিশন এজ সেন্সরগুলির তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে দ্রুত এবং উচ্চ তাপমাত্রায় কাজ করে। টাইম-বাইনিং বা অ্যাডভান্সড রিডআউট স্কিমের মাধ্যমে এস. এন. এস. পি. ডি অ্যারেতে ফোটন-নম্বর রেজোলিউশনের একটি ডিগ্রি অর্জন করা যেতে পারে। বেশিরভাগ এস. এন. এস. পি. ডি স্পাটার্ড নাইওবিয়াম নাইট্রাইড (এন. বি. এন) দিয়ে তৈরি, যা তুলনামূলকভাবে উচ্চ সুপারকন্ডাক্টিং ক্রিটিক্যাল তাপমাত্রা (≈ 10 কে) প্রদান করে যা 1 কে থেকে 4 কে তাপমাত্রার পরিসরে এস. এন. এস. পি. ডি অপারেশনকে সক্ষম করে (তরল হিলিয়াম বা আধুনিক ক্লোজড-সাইকেল ক্রায়োকুলারগুলির সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ)। এন. বি. এন-এর অভ্যন্তরীণ তাপীয় সময় ধ্রুবকগুলি সংক্ষিপ্ত, যা ফোটন শোষণের (<100 পিকোসেকেন্ড) পরে খুব দ্রুত শীতল সময় দেয়। সুপারকন্ডাক্টিং ন্যানোওয়ারের শোষণ বিভিন্ন কৌশল দ্বারা বাড়ানো যেতে পারেঃ একটি অপটিক্যাল গহ্বরের সাথে সংহতকরণ, একটি ফোটোনিক ওয়েভগাইডের সাথে সংহতকরণ বা ন্যানোঅ্যান্টেনা কাঠামোর সংযোজন। এন. বি. এন, এন. বি. টি. আই. এন, ডব্লিউ. এস. আই এবং এম. ও. এস. আই-তে এস. এন. এস. পি. ডি ক্যাভিটি ডিভাইসগুলি দশ মেগাহার্টজ গণনা হারের সাথে 1550 এনএম তরঙ্গদৈর্ঘ্যে 98 শতাংশেরও বেশি ফাইবার-সংযুক্ত ডিভাইস সনাক্তকরণ দক্ষতা প্রদর্শন করেছে। সনাক্তকরণ দক্ষতা প্রতিটি ডিটেক্টরে একটি নির্দিষ্ট তরঙ্গদৈর্ঘ্যের পরিসরের জন্য অনুকূলিত করা হয়। তবে, ন্যানোওয়ারগুলির অত্যন্ত স্থানীয় অঞ্চলের কারণে এগুলি ব্যাপকভাবে পরিবর্তিত হয়, যেখানে অতিপরিবাহী স্রোতের জন্য কার্যকর ক্রস-সেকশনাল এলাকা হ্রাস পায়। এস. এন. এস. পি. ডি যন্ত্রগুলি দৃশ্যমান তরঙ্গদৈর্ঘ্যে ব্যতিক্রমীভাবে কম ঝাঁকুনি-ফোটন আগমনের সময়ে অনিশ্চয়তা-3 পিকোসেকেন্ডের মতো কম প্রদর্শন করেছে। ফোটন শক্তি কমে যাওয়ার সাথে সাথে টাইমিং জিটার বৃদ্ধি পায় এবং 3.5 মাইক্রোমিটার তরঙ্গদৈর্ঘ্যে যাচাই করা হয়েছে। টাইমিং জিটার সময়-সম্পর্কিত একক-ফোটন গণনা (টি. সি. এস. পি. সি) প্রয়োগের জন্য একটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ বৈশিষ্ট্য। উপরন্তু, এস. এন. এস. পি. ডি-তে ডার্ক কাউন্টের হার অত্যন্ত কম, অর্থাৎ। সনাক্ত করা ফোটনের অনুপস্থিতিতে ভোল্টেজ পালসের ঘটনা। উপরন্তু, ডেডটাইম (একটি সনাক্তকরণ ইভেন্টের পরে সময়ের ব্যবধান যার সময় ডিটেক্টর সংবেদনশীল নয়) কয়েক ন্যানোসেকেন্ডের ক্রমে থাকে, এই সংক্ষিপ্ত ডেডটাইম খুব উচ্চ স্যাচুরেশন গণনার হারে অনুবাদ করে এবং একক ডিটেক্টরের সাহায্যে অ্যান্টিব্যাঞ্চিং পরিমাপ সক্ষম করে। দীর্ঘতর তরঙ্গদৈর্ঘ্যের ফোটন সনাক্তকরণের জন্য, তবে, স্ট্যান্ডার্ড এস. এন. এস. পি. ডি-র সনাক্তকরণ দক্ষতা উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস পায়। নিকট-ইনফ্রারেড এবং মধ্য-ইনফ্রারেড তরঙ্গদৈর্ঘ্যে সনাক্তকরণ দক্ষতা উন্নত করার সাম্প্রতিক প্রচেষ্টার মধ্যে রয়েছে সংকীর্ণ (20 এনএম এবং 30 এনএম প্রশস্ত) এনবিএন ন্যানোওয়্যারের গবেষণার পাশাপাশি এনবিএন (টাংস্টেন সিলিসাইড, নাইওবিয়াম সিলিসাইড, মলিবডেনাম সিলিসাইড এবং ট্যানটালাম নাইট্রাইড) এর তুলনায় কম সুপারকন্ডাক্টিং সমালোচনামূলক তাপমাত্রার বিকল্প সুপারকন্ডাক্টিং উপকরণগুলির বিস্তৃত গবেষণা। 10 মাইক্রোমিটার তরঙ্গদৈর্ঘ্য পর্যন্ত একক ফোটন সংবেদনশীলতা সম্প্রতি একটি টাংস্টেন সিলিসাইড এস. এন. এস. পি. ডি-তে প্রদর্শিত হয়েছে। পারমাণবিক স্তর নিক্ষেপণের মতো বিকল্প পাতলা ফিল্ম জমা করার কৌশলগুলি বড় অঞ্চলে এস. এন. এস. পি. ডি-র বর্ণালী পরিসীমা এবং স্কেলিবিলিটি প্রসারিত করার জন্য আগ্রহের বিষয়। কিছু উৎসাহব্যঞ্জক সাম্প্রতিক রিপোর্ট সহ এস. এন. এস. পি. ডি-র জন্য উচ্চ তাপমাত্রার সুপারকন্ডাক্টরগুলি তদন্ত করা হয়েছে। দৃশ্যমান এবং নিকটবর্তী ইনফ্রারেডে কিছু একক ফোটন সংবেদনশীলতা সহ ম্যাগনেসিয়াম ডাইবরাইড থেকে এস. এন. এস. পি. ডি তৈরি করা হয়েছে। এস. এন. এস. পি. ডি-কে বড় মাল্টি-পিক্সেল অ্যারে এবং ক্যামেরায় উন্নীত করার জন্য যথেষ্ট আগ্রহ এবং প্রচেষ্টা রয়েছে। একটি কিলোপিক্সেল এস. এন. এস. পি. ডি অ্যারে সম্প্রতি রিপোর্ট করা হয়েছে। একটি প্রধান চ্যালেঞ্জ হল রিডআউট, যা সুপারকন্ডাক্টিং সিঙ্গল ফ্লাক্স কোয়ান্টাম লজিক ব্যবহার করে মাল্টিপ্লেক্সিং বা ডিজিটাল রিডআউটের মাধ্যমে সমাধান করা যেতে পারে। এস. এন. এস. পি. ডি-র অনেক প্রাথমিক প্রয়োগ কোয়ান্টাম তথ্যের ক্ষেত্রে হয়েছে, যেমন কোয়ান্টাম কী বিতরণ এবং অপটিক্যাল কোয়ান্টাম কম্পিউটিং। অন্যান্য বর্তমান এবং উদীয়মান প্রয়োগগুলির মধ্যে রয়েছে সি. এম. ও. এস সার্কিট্রিতে ত্রুটি বিশ্লেষণের জন্য ইনফ্রারেড ফটোমিশনের ইমেজিং, একক ফোটন ইমিটার চরিত্রায়ন, এল. আই. ডি. এ. আর, অন-চিপ কোয়ান্টাম অপটিক্স, অপটিক্যাল নিউরোমরফিক কম্পিউটিং, ফাইবার অপটিক তাপমাত্রা সংবেদন, অপটিক্যাল টাইম ডোমেন রিফ্লেক্টোমেট্রি, আয়ন ট্র্যাপ কিউবিটগুলির জন্য রিডআউট, কোয়ান্টাম প্লাজমনিকস, একক ইলেক্ট্রন সনাক্তকরণ, একক α এবং β কণা সনাক্তকরণ, একক অক্সিজেন লুমিনেসেন্স সনাক্তকরণ, গভীর স্থান অপটিক্যাল যোগাযোগ, অন্ধকার পদার্থ অনুসন্ধান এবং এক্সোপ্ল্যানেট সনাক্তকরণ। সিঙ্গেল কোয়ান্টাম, ফোটন স্পট, স্কন্টেল, কোয়ান্টাম ওপাস, আইডি কোয়ান্টিক, ফোটেক এবং পিক্সেল ফটোনিক্স সহ বিশ্বব্যাপী বেশ কয়েকটি সংস্থা সুপারকন্ডাক্টিং ন্যানোওয়্যারের উপর ভিত্তি করে সম্পূর্ণ একক-ফোটন সনাক্তকরণ ব্যবস্থাকে সফলভাবে বাণিজ্যিকীকরণ করছে। এস. এন. এস. পি. ডি প্রযুক্তির ব্যাপক গ্রহণ 4 কে এবং তার নিচে ক্রায়োকুলারের অগ্রগতির সাথে ঘনিষ্ঠভাবে যুক্ত, এবং এস. এন. এস. পি. ডি সম্প্রতি ক্ষুদ্রতর সিস্টেমে প্রদর্শিত হয়েছে। তথ্যসূত্র পার্টিকল ডিটেক্টর ফটোডিটেক্টর রেডিওমেট্রি সেন্সর সুপারকন্ডাক্টিং ডিটেক্টর কোয়ান্টাম অপটিক্স সুপারকন্ডাক্টিভিটি অপটোইলেক্ট্রনিক্স অপটিক্যাল মেট্রোলজি ইঞ্জিনিয়ারিং