Superconducting nanowire single-photon detector
સુપરકન્ડક્ટિંગ નેનોવાયર સિંગલ-ફોટોન ડિટેક્ટર (એસ. એન. એસ. પી. ડી. અથવા એસ. એસ. પી. ડી.) એ વર્તમાન-પક્ષપાતી સુપરકન્ડક્ટિંગ નેનોવાયર પર આધારિત ઓપ્ટિકલ અને નજીકના ઇન્ફ્રારેડ સિંગલ-ફોટોન ડિટેક્ટરનો એક પ્રકાર છે. તે સૌપ્રથમ 2001 માં મોસ્કો સ્ટેટ પેડાગોજિકલ યુનિવર્સિટી અને રોચેસ્ટર યુનિવર્સિટીના વૈજ્ઞાનિકો દ્વારા વિકસાવવામાં આવ્યું હતું. પ્રથમ સંપૂર્ણ કાર્યરત પ્રોટોટાઇપ 2005 માં નેશનલ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ સ્ટાન્ડર્ડ્સ એન્ડ ટેકનોલોજી (બોલ્ડર) અને બીબીએન ટેક્નોલોજીસ દ્વારા ડીએઆરપીએ ક્વોન્ટમ નેટવર્કના ભાગ રૂપે દર્શાવવામાં આવ્યું હતું. 2023 સુધીમાં, ફોટોનની ગણતરી માટે સુપરકન્ડક્ટિંગ નેનોવાયર સિંગલ-ફોટોન ડિટેક્ટર સૌથી ઝડપી સિંગલ-ફોટોન ડિટેક્ટર (એસપીડી) છે. તે ક્વોન્ટમ ઓપ્ટિક્સ અને ઓપ્ટિકલ ક્વોન્ટમ તકનીકો માટે ચાવીરૂપ સક્ષમ તકનીક છે. અન્ય પ્રકારના સિંગલ-ફોટોન ડિટેક્ટર્સની સરખામણીમાં એસ. એન. એસ. પી. ડી. ખૂબ જ ઊંચી શોધ કાર્યક્ષમતા, ખૂબ જ ઓછો ડાર્ક કાઉન્ટ દર અને ખૂબ જ ઓછો ટાઇમિંગ જિટર સાથે ઉપલબ્ધ છે. એસ. એન. એસ. પી. ડી. આંતરરાષ્ટ્રીય ઇલેક્ટ્રોટેક્નિકલ કમિશન (આઇ. ઇ. સી.) આંતરરાષ્ટ્રીય ધોરણો દ્વારા આવરી લેવામાં આવે છે. 2023 સુધીમાં, વ્યાપારી એસ. એન. એસ. પી. ડી. ઉપકરણો 100,000 યુરોની કિંમત શ્રેણીમાં મલ્ટીચેનલ પ્રણાલીઓમાં ઉપલબ્ધ છે. ઓપરેશનનો સિદ્ધાંત એસ. એન. એસ. પી. ડી. માં પાતળા (≈ 5 એનએમ) અને સાંકડા (≈ 100 એનએમ) સુપરકન્ડક્ટિંગ નેનોવાયરનો સમાવેશ થાય છે. લંબાઈ સામાન્ય રીતે સેંકડો માઇક્રોમીટર હોય છે, અને નેનોવાયરને ઉચ્ચ શોધ કાર્યક્ષમતા સાથે ચોરસ અથવા ગોળાકાર પિક્સેલ બનાવવા માટે કોમ્પેક્ટ મીન્ડર ભૂમિતિમાં પેટર્ન કરવામાં આવે છે. નેનોવાયર તેના સુપરકન્ડક્ટિંગ ક્રિટિકલ તાપમાનથી ઘણું નીચે ઠંડુ થાય છે અને ડી. સી. પ્રવાહ સાથે પક્ષપાતી હોય છે જે નેનોવાયરના સુપરકન્ડક્ટિંગ ક્રિટિકલ પ્રવાહની નજીક હોય છે પરંતુ તેનાથી ઓછો હોય છે. નેનોવાયર પર ફોટોનની ઘટના કૂપર જોડીને તોડી નાખે છે અને બાયસ કરંટની નીચે સ્થાનિક ક્રિટિકલ કરંટને ઘટાડે છે. આના પરિણામે મર્યાદિત વિદ્યુત પ્રતિકાર સાથે સ્થાનિક બિન-સુપરકન્ડક્ટિંગ પ્રદેશ અથવા હોટસ્પોટની રચના થાય છે. આ અવરોધ સામાન્ય રીતે રીડઆઉટ એમ્પ્લીફાયરના 50 ઓહ્મ ઇનપુટ અવરોધ કરતા મોટો હોય છે, અને તેથી મોટાભાગના બાયસ કરંટને એમ્પ્લીફાયરમાં ફેરવવામાં આવે છે. આ માપી શકાય તેવી વોલ્ટેજ પલ્સ ઉત્પન્ન કરે છે જે લગભગ 50 ઓહ્મ દ્વારા ગુણાકાર કરવામાં આવેલા બાયસ કરંટની બરાબર હોય છે. એમ્પ્લીફાયરમાંથી વહેતા મોટાભાગના બાયસ કરંટ સાથે, બિન-સુપરકન્ડક્ટિંગ પ્રદેશ ઠંડુ થાય છે અને સુપરકન્ડક્ટિંગ સ્થિતિમાં પરત આવે છે. પ્રવાહને નેનોવાયર પર પાછા ફરવાનો સમય સામાન્ય રીતે નેનોવાયરના પ્રેરક સમય અચળાંક દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે, જે રીડઆઉટ સર્કિટના અવરોધ દ્વારા વિભાજિત નેનોવાયરની ગતિશીલ પ્રેરણાની બરાબર હોય છે. ઉપકરણના યોગ્ય સ્વ-પુનઃસ્થાપન માટે જરૂરી છે કે આ પ્રેરક સમય અચળાંક નેનોવાયર હોટસ્પોટના આંતરિક ઠંડક સમય કરતાં ધીમો હોય. જ્યારે એસ. એન. એસ. પી. ડી. સુપરકન્ડક્ટિંગ ટ્રાન્ઝિશન એજ સેન્સરની આંતરિક ઊર્જા અથવા ફોટોન-નંબર રિઝોલ્યુશન સાથે મેળ ખાતું નથી, ત્યારે એસ. એન. એસ. પી. ડી. પરંપરાગત ટ્રાન્ઝિશન એજ સેન્સર કરતા નોંધપાત્ર રીતે ઝડપી છે અને ઊંચા તાપમાને કાર્ય કરે છે. ફોટોન-નંબર રીઝોલ્યુશનની ડિગ્રી એસ. એન. એસ. પી. ડી. એરેમાં ટાઇમ-બાઇનિંગ અથવા એડવાન્સ રીડઆઉટ યોજનાઓ દ્વારા પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. મોટાભાગના એસ. એન. એસ. પી. ડી. સ્પુટર્ડ નિયોબિયમ નાઇટ્રાઇડ (એન. બી. એન.) થી બનેલા હોય છે, જે પ્રમાણમાં ઉચ્ચ સુપરકન્ડક્ટિંગ ક્રિટિકલ તાપમાન (≈ 10 કે.) પ્રદાન કરે છે, જે 1 કે. થી 4 કે. (પ્રવાહી હિલીયમ અથવા આધુનિક બંધ-ચક્ર ક્રાયોકૂલર્સ સાથે સુસંગત) તાપમાન શ્રેણીમાં એસ. એન. એસ. પી. ડી. કામગીરીને સક્ષમ કરે છે. એન. બી. એન. ના આંતરિક ઉષ્મીય સમય સ્થિરાંકો ટૂંકા હોય છે, જે ફોટોન શોષણ (<100 પિકોસેકન્ડ્સ) પછી ખૂબ જ ઝડપી ઠંડક આપે છે. સુપરકન્ડક્ટિંગ નેનોવાયરમાં શોષણને વિવિધ વ્યૂહરચનાઓ દ્વારા પ્રોત્સાહન આપી શકાય છેઃ ઓપ્ટિકલ કેવિટી સાથે એકીકરણ, ફોટોનિક વેવગાઇડ સાથે એકીકરણ અથવા નેનોએન્ટેના માળખાઓનો ઉમેરો. એન. બી. એન., એન. બી. ટી. આઈ. એન., ડબલ્યુ. એસ. આઈ. અને એમ. ઓ. એસ. આઈ. માં એસ. એન. એસ. પી. ડી. પોલાણ ઉપકરણોએ દસ મેગાહર્ટઝમાં ગણતરી દર સાથે 1550 એન. એમ. તરંગલંબાઇ પર 98 ટકાથી વધુ ફાઇબર-જોડી ઉપકરણ શોધવાની કાર્યક્ષમતા દર્શાવી છે. દરેક ડિટેક્ટરમાં ચોક્કસ તરંગલંબાઇ શ્રેણી માટે શોધ કાર્યક્ષમતાને શ્રેષ્ઠ બનાવવામાં આવે છે. તેઓ વ્યાપક રીતે બદલાય છે, જો કે, નેનોવાયરના અત્યંત સ્થાનિક પ્રદેશોને કારણે જ્યાં સુપરકન્ડક્ટિંગ કરંટ માટે અસરકારક ક્રોસ-સેક્શનલ વિસ્તાર ઓછો થાય છે. એસ. એન. એસ. પી. ડી. ઉપકરણોએ પણ અસાધારણ રીતે નીચો ઝાટકો દર્શાવ્યો છે-ફોટોનના આગમનના સમયમાં અનિશ્ચિતતા-દૃશ્યમાન તરંગલંબાઇ પર 3 પિકોસેકન્ડ્સ જેટલી ઓછી છે. જેમ જેમ ફોટોન ઊર્જા ઘટતી જાય છે તેમ તેમ ટાઈમિંગ ઝાટકો વધે છે અને 3.5 માઇક્રોમીટર તરંગલંબાઇ સુધી ચકાસવામાં આવી છે. સમય-સહસંબંધિત સિંગલ-ફોટોન ગણતરી (ટી. સી. એસ. પી. સી.) કાર્યક્રમો માટે ટાઈમિંગ જિટર એ અત્યંત મહત્વપૂર્ણ ગુણધર્મ છે. વધુમાં, એસ. એન. એસ. પી. ડી. માં ડાર્ક કાઉન્ટનો દર અત્યંત ઓછો હોય છે, એટલે કે. શોધાયેલ ફોટોનની ગેરહાજરીમાં વોલ્ટેજ પલ્સની ઘટના. વધુમાં, ડેડટાઇમ (ડિટેક્શન ઇવેન્ટ પછીનો સમય અંતરાલ જે દરમિયાન ડિટેક્ટર સંવેદનશીલ નથી) થોડા નેનોસેકન્ડ્સના ક્રમમાં હોય છે, આ ટૂંકો ડેડટાઇમ ખૂબ ઊંચા સંતૃપ્તિ ગણતરી દરમાં અનુવાદ કરે છે અને એક જ ડિટેક્ટર સાથે એન્ટિબંચિંગ માપનને સક્ષમ કરે છે. લાંબા તરંગલંબાઇના ફોટોનની શોધ માટે, જોકે, પ્રમાણભૂત એસ. એન. એસ. પી. ડી. ની શોધ કાર્યક્ષમતામાં નોંધપાત્ર ઘટાડો થાય છે. નજીકના ઇન્ફ્રારેડ અને મધ્ય-ઇન્ફ્રારેડ તરંગલંબાઇ પર શોધ કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરવાના તાજેતરના પ્રયાસોમાં સાંકડા (20 એનએમ અને 30 એનએમ પહોળા) એનબીએન નેનોવાયરનો અભ્યાસ તેમજ એનબીએન (ટંગસ્ટન સિલિસાઇડ, નિયોબિયમ સિલિસાઇડ, મોલિબ્ડેનમ સિલિસાઇડ અને ટેન્ટેલમ નાઇટ્રાઇડ) કરતા ઓછા સુપરકન્ડક્ટિંગ નિર્ણાયક તાપમાન સાથે વૈકલ્પિક સુપરકન્ડક્ટિંગ સામગ્રીનો વ્યાપક અભ્યાસ સામેલ છે. 10 માઇક્રોમીટર તરંગલંબાઇ સુધીની એક ફોટોન સંવેદનશીલતા તાજેતરમાં ટંગસ્ટન સિલિસાઇડ એસ. એન. એસ. પી. ડી. માં દર્શાવવામાં આવી છે. પરમાણુ સ્તર જમા જેવી વૈકલ્પિક પાતળી ફિલ્મ જમા કરવાની તકનીકો મોટા વિસ્તારોમાં એસ. એન. એસ. પી. ડી. ની વર્ણપટ શ્રેણી અને માપનીયતા વધારવા માટે રસપ્રદ છે. તાજેતરના કેટલાક પ્રોત્સાહક અહેવાલો સાથે એસ. એન. એસ. પી. ડી. માટે ઉચ્ચ તાપમાનના સુપરકન્ડક્ટર્સની તપાસ કરવામાં આવી છે. એસ. એન. એસ. પી. ડી. દૃશ્યમાન અને નજીકના ઇન્ફ્રારેડમાં કેટલાક સિંગલ ફોટોન સંવેદનશીલતા સાથે મેગ્નેશિયમ ડાયબોરાઇડમાંથી બનાવવામાં આવ્યા છે. એસ. એન. એસ. પી. ડી. ને મોટા મલ્ટી પિક્સેલ એરે અને કેમેરા સુધી વધારવામાં નોંધપાત્ર રસ અને પ્રયાસ છે. એક કિલોપિક્સેલ એસ. એન. એસ. પી. ડી. એરે તાજેતરમાં નોંધવામાં આવ્યો છે. એક મુખ્ય પડકાર રીડઆઉટ છે, જેને સુપરકન્ડક્ટિંગ સિંગલ ફ્લક્સ ક્વોન્ટમ લોજિકનો ઉપયોગ કરીને મલ્ટિપ્લેક્સિંગ અથવા ડિજિટલ રીડઆઉટ દ્વારા સંબોધિત કરી શકાય છે. એપ્લિકેશન્સ એસ. એન. એસ. પી. ડી. ના ઘણા પ્રારંભિક એપ્લિકેશન પ્રદર્શનો ક્વોન્ટમ માહિતીના ક્ષેત્રમાં છે, જેમ કે ક્વોન્ટમ કી વિતરણ અને ઓપ્ટિકલ ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ. અન્ય વર્તમાન અને ઉભરતી એપ્લિકેશનોમાં CMOS સર્કિટરીમાં ખામી વિશ્લેષણ માટે ઇન્ફ્રારેડ ફોટોમિશનનું ઇમેજિંગ, સિંગલ ફોટોન એમિટર કેરેક્ટરાઇઝેશન, LIDAR, ઓન-ચિપ ક્વોન્ટમ ઓપ્ટિક્સ, ઓપ્ટિકલ ન્યુરોમોર્ફિક કમ્પ્યુટિંગ, ફાઇબર ઓપ્ટિક ટેમ્પરેચર સેન્સિંગ, ઓપ્ટિકલ ટાઇમ ડોમેન રિફ્લેક્ટોમેટ્રી, આયન ટ્રેપ ક્યુબિટ્સ માટે રીડઆઉટ, ક્વોન્ટમ પ્લાઝમોનિક્સ, સિંગલ ઇલેક્ટ્રોન ડિટેક્શન, સિંગલ α અને β પાર્ટિકલ ડિટેક્શન, સિંગલેટ ઓક્સિજન લ્યુમિનેસન્સ ડિટેક્શન, ડીપ સ્પેસ ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન, ડાર્ક મેટર સર્ચ અને એક્સોપ્લેનેટ ડિટેક્શનનો સમાવેશ થાય છે. વિશ્વભરની સંખ્યાબંધ કંપનીઓ સુપરકન્ડક્ટિંગ નેનોવાયર પર આધારિત સંપૂર્ણ સિંગલ-ફોટોન ડિટેક્શન સિસ્ટમનું સફળતાપૂર્વક વ્યાપારીકરણ કરી રહી છે, જેમાં સિંગલ ક્વોન્ટમ, ફોટોન સ્પોટ, સ્કોન્ટેલ, ક્વોન્ટમ ઓપસ, આઈડી ક્વોન્ટિક, ફોટેક અને પિક્સેલ ફોટોનિક્સનો સમાવેશ થાય છે. એસ. એન. એસ. પી. ડી. ટેકનોલોજીનો વ્યાપક સ્વીકાર 4 કે અને તેનાથી નીચેના ક્રાયોકૂલર્સમાં પ્રગતિ સાથે ગાઢ રીતે સંકળાયેલો છે, અને એસ. એન. એસ. પી. ડી. તાજેતરમાં લઘુચિત્ર પ્રણાલીઓમાં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. સંદર્ભો કણ ડિટેક્ટર્સ ફોટોડિટેક્ટર્સ રેડિયોમેટ્રી સેન્સર્સ સુપરકન્ડક્ટિંગ ડિટેક્ટર્સ ક્વોન્ટમ ઓપ્ટિક્સ સુપરકન્ડક્ટિવિટી ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક્સ ઓપ્ટિકલ મેટ્રોલોજી એન્જિનિયરિંગ