Superconducting nanowire single-photon detector
सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर (एस. एन. एस. पी. डी. या एस. एस. पी. डी.) एक प्रकार का ऑप्टिकल और निकट-अवरक्त सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर है जो वर्तमान-पक्षपाती सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर पर आधारित है। इसे पहली बार 2001 में मास्को राज्य शैक्षणिक विश्वविद्यालय और रोचेस्टर विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों द्वारा विकसित किया गया था। पहला पूरी तरह से परिचालन प्रोटोटाइप 2005 में राष्ट्रीय मानक और प्रौद्योगिकी संस्थान (बोल्डर) और बी. बी. एन. टेक्नोलॉजीज द्वारा डी. ए. आर. पी. ए. क्वांटम नेटवर्क के हिस्से के रूप में प्रदर्शित किया गया था। 2023 तक, फोटॉन गिनती के लिए एक सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर सबसे तेज़ सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर (एसपीडी) है। यह क्वांटम प्रकाशिकी और ऑप्टिकल क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए एक प्रमुख सक्षम तकनीक है। एस. एन. एस. पी. डी. अन्य प्रकार के एकल-फोटॉन डिटेक्टरों की तुलना में बहुत उच्च पहचान दक्षता, बहुत कम डार्क काउंट दर और बहुत कम समय के झटके के साथ उपलब्ध हैं। एस. एन. एस. पी. डी. अंतर्राष्ट्रीय विद्युत तकनीकी आयोग (आई. ई. सी.) अंतर्राष्ट्रीय मानकों द्वारा कवर किए जाते हैं। 2023 तक, वाणिज्यिक एस. एन. एस. पी. डी. उपकरण 100,000 यूरो की मूल्य सीमा में बहु-चैनल प्रणालियों में उपलब्ध हैं। संचालन का सिद्धांत एस. एन. एस. पी. डी. में एक पतला (≈ 5 एन. एम.) और संकीर्ण (≈ 100 एन. एम.) सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर होता है। लंबाई आम तौर पर सैकड़ों माइक्रोमीटर होती है, और नैनोवायर को उच्च पहचान दक्षता के साथ एक वर्ग या गोलाकार पिक्सेल बनाने के लिए एक कॉम्पैक्ट मींडर ज्यामिति में पैटर्न किया जाता है। नैनोवायर को इसके अतिचालक महत्वपूर्ण तापमान से काफी नीचे ठंडा किया जाता है और एक डीसी धारा के साथ पक्षपाती किया जाता है जो नैनोवायर के अतिचालक महत्वपूर्ण धारा के करीब है लेकिन उससे कम है। नैनोवायर पर एक फोटॉन घटना कूपर जोड़े को तोड़ती है और पूर्वाग्रह धारा के नीचे स्थानीय महत्वपूर्ण धारा को कम करती है। इसके परिणामस्वरूप सीमित विद्युत प्रतिरोध के साथ एक स्थानीय गैर-सुपरकंडक्टिंग क्षेत्र, या हॉटस्पॉट का निर्माण होता है। यह प्रतिरोध आम तौर पर रीडआउट एम्पलीफायर के 50 ओम इनपुट प्रतिबाधा से बड़ा होता है, और इसलिए अधिकांश बायस करंट को एम्पलीफायर में स्थानांतरित कर दिया जाता है। यह एक मापने योग्य वोल्टेज पल्स उत्पन्न करता है जो लगभग 50 ओम से गुणा किए गए बायस करंट के बराबर होता है। एम्पलीफायर के माध्यम से बहने वाले अधिकांश बायस करंट के साथ, गैर-सुपरकंडक्टिंग क्षेत्र ठंडा हो जाता है और सुपरकंडक्टिंग अवस्था में लौट आता है। नैनोवायर में धारा की वापसी का समय आमतौर पर नैनोवायर के प्रेरक समय स्थिरांक द्वारा निर्धारित किया जाता है, जो नैनोवायर के गतिज प्रेरण को रीडआउट सर्किट की प्रतिबाधा से विभाजित करने के बराबर होता है। उपकरण के उचित स्व-पुनर्निर्धारण के लिए आवश्यक है कि यह प्रेरक समय स्थिरांक नैनोवायर हॉटस्पॉट के आंतरिक शीतलन समय की तुलना में धीमा हो। जबकि एस. एन. एस. पी. डी. सुपरकंडक्टिंग ट्रांजिशन एज सेंसर की आंतरिक ऊर्जा या फोटॉन-नंबर रिज़ॉल्यूशन से मेल नहीं खाता है, एस. एन. एस. पी. डी. पारंपरिक ट्रांजिशन एज सेंसर की तुलना में काफी तेज है और उच्च तापमान पर काम करता है। एस. एन. एस. पी. डी. सरणी में टाइम-बाइनिंग या उन्नत रीडआउट योजनाओं के माध्यम से फोटॉन-नंबर रिज़ॉल्यूशन की एक डिग्री प्राप्त की जा सकती है। अधिकांश एस. एन. एस. पी. डी. छिटपुट नियोबियम नाइट्राइड (एन. बी. एन.) से बने होते हैं, जो अपेक्षाकृत उच्च अतिचालक महत्वपूर्ण तापमान (≈ 10 के.) प्रदान करता है जो 1 के. से 4 के. (तरल हीलियम या आधुनिक बंद-चक्र क्रायोकूलर्स के साथ संगत) तापमान सीमा में एस. एन. एस. पी. डी. संचालन को सक्षम बनाता है। एन. बी. एन. के आंतरिक तापीय समय स्थिरांक कम होते हैं, जो फोटॉन अवशोषण (<100 पिकोसेकंड) के बाद बहुत तेजी से ठंडा होने का समय देते हैं। सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर में अवशोषण को विभिन्न रणनीतियों द्वारा बढ़ाया जा सकता हैः एक ऑप्टिकल गुहा के साथ एकीकरण, एक फोटोनिक वेवगाइड के साथ एकीकरण या नैनोएंटेना संरचनाओं को जोड़ना। एन. बी. एन., एन. बी. टी. आई. एन., डब्ल्यू. एस. आई. और एम. ओ. एस. आई. में एस. एन. एस. पी. डी. गुहा उपकरणों ने दसियों मेगाहर्ट्ज में गणना दर के साथ 1550 एन. एम. तरंग दैर्ध्य पर 98 प्रतिशत से अधिक फाइबर-युग्मित उपकरण का पता लगाने की क्षमता का प्रदर्शन किया है। प्रत्येक डिटेक्टर में एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य सीमा के लिए पहचान क्षमता को अनुकूलित किया जाता है। वे व्यापक रूप से भिन्न होते हैं, हालांकि, नैनोवायर के अत्यधिक स्थानीयकृत क्षेत्रों के कारण जहां सुपरकंडक्टिंग करंट के लिए प्रभावी क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र कम हो जाता है। एस. एन. एस. पी. डी. उपकरणों ने भी असाधारण रूप से कम झटके का प्रदर्शन किया है-फोटॉन आगमन समय में अनिश्चितता-दृश्य तरंग दैर्ध्य पर 3 पिकोसेकंड के रूप में कम। फोटॉन ऊर्जा में गिरावट के साथ समय की घबराहट बढ़ जाती है और 3.5 माइक्रोमीटर तरंग दैर्ध्य तक सत्यापित किया गया है। टाइम-कोरिलेटेड सिंगल-फोटोन काउंटिंग (टी. सी. एस. पी. सी.) अनुप्रयोगों के लिए टाइमिंग जिटर एक अत्यंत महत्वपूर्ण गुण है। इसके अलावा, एस. एन. एस. पी. डी. में डार्क काउंट की दर बहुत कम होती है, अर्थात। एक ज्ञात फोटॉन की अनुपस्थिति में वोल्टेज स्पंदों की घटना। इसके अलावा, डेडटाइम (एक डिटेक्शन घटना के बाद का समय अंतराल जिसके दौरान डिटेक्टर संवेदनशील नहीं होता है) कुछ नैनोसेकंड के क्रम पर होता है, यह छोटा डेडटाइम बहुत उच्च संतृप्ति गणना दरों में बदल जाता है और एकल डिटेक्टर के साथ एंटीबंचिंग माप को सक्षम बनाता है। हालाँकि, लंबे तरंग दैर्ध्य वाले फोटॉनों का पता लगाने के लिए, मानक एस. एन. एस. पी. डी. की पता लगाने की दक्षता में काफी कमी आती है। निकट-अवरक्त और मध्य-अवरक्त तरंग दैर्ध्य पर पता लगाने की दक्षता में सुधार के हालिया प्रयासों में संकीर्ण (20 एनएम और 30 एनएम चौड़े) एनबीएन नैनोवायर के अध्ययन के साथ-साथ एनबीएन (टंगस्टन सिलिसाइड, नियोबियम सिलिसाइड, मोलिब्डेनम सिलिसाइड और टैंटलम नाइट्राइड) की तुलना में कम सुपरकंडक्टिंग महत्वपूर्ण तापमान के साथ वैकल्पिक सुपरकंडक्टिंग सामग्री का व्यापक अध्ययन शामिल है। हाल ही में एक टंगस्टन सिलिसाइड एस. एन. एस. पी. डी. में 10 माइक्रोमीटर तरंग दैर्ध्य तक एकल फोटॉन संवेदनशीलता का प्रदर्शन किया गया है। परमाणु परत निक्षेपण जैसी वैकल्पिक पतली फिल्म निक्षेपण तकनीकें एस. एन. एस. पी. डी. की वर्णक्रमीय सीमा और मापनीयता को बड़े क्षेत्रों तक बढ़ाने के लिए दिलचस्प हैं। कुछ उत्साहजनक हालिया रिपोर्टों के साथ एस. एन. एस. पी. डी. के लिए उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स की जांच की गई है। एस. एन. एस. पी. डी. को दृश्य और निकट अवरक्त में कुछ एकल फोटॉन संवेदनशीलता के साथ मैग्नीशियम डाइबोराइड से बनाया गया है। एस. एन. एस. पी. डी. को बड़े बहु-पिक्सेल सरणी और कैमरों तक बढ़ाने में काफी रुचि और प्रयास है। एक किलोपिक्सेल एस. एन. एस. पी. डी. सरणी हाल ही में रिपोर्ट की गई है। एक प्रमुख चुनौती रीडआउट है, जिसे सुपरकंडक्टिंग सिंगल फ्लक्स क्वांटम लॉजिक का उपयोग करके मल्टीप्लेक्सिंग या डिजिटल रीडआउट के माध्यम से संबोधित किया जा सकता है। अनुप्रयोग एस. एन. एस. पी. डी. के कई प्रारंभिक अनुप्रयोग प्रदर्शन क्वांटम जानकारी के क्षेत्र में रहे हैं, जैसे कि क्वांटम कुंजी वितरण और ऑप्टिकल क्वांटम कंप्यूटिंग। अन्य वर्तमान और उभरते अनुप्रयोगों में सीएमओएस परिपथ में दोष विश्लेषण के लिए अवरक्त प्रकाश उत्सर्जन की इमेजिंग, एकल फोटॉन उत्सर्जक लक्षण वर्णन, एलआईडीएआर, ऑन-चिप क्वांटम ऑप्टिक्स, ऑप्टिकल न्यूरोमोर्फिक कंप्यूटिंग, फाइबर ऑप्टिक तापमान संवेदन, ऑप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टोमेट्री, आयन ट्रैप क्यूबिट्स के लिए रीडआउट, क्वांटम प्लाज्मोनिक्स, एकल इलेक्ट्रॉन का पता लगाना, एकल α और β कण का पता लगाना, एकल ऑक्सीजन चमक का पता लगाना, गहरे अंतरिक्ष ऑप्टिकल संचार, काले पदार्थ की खोज और एक्सोप्लैनेट का पता लगाना शामिल हैं। दुनिया भर में कई कंपनियां सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर्स पर आधारित पूर्ण सिंगल-फोटॉन डिटेक्शन सिस्टम का सफलतापूर्वक व्यावसायीकरण कर रही हैं, जिनमें सिंगल क्वांटम, फोटॉन स्पॉट, स्कोंटेल, क्वांटम ओपस, आईडी क्वांटिक, फोटेक और पिक्सेल फोटोनिक्स शामिल हैं। एस. एन. एस. पी. डी. प्रौद्योगिकी को व्यापक रूप से अपनाना 4 के और उससे कम के लिए क्रायोकूलर्स में प्रगति से निकटता से जुड़ा हुआ है, और एस. एन. एस. पी. डी. को हाल ही में लघु प्रणालियों में प्रदर्शित किया गया है। संदर्भ कण डिटेक्टर फोटोडिटेक्टर रेडियोमेट्री सेंसर सुपरकंडक्टिंग डिटेक्टर क्वांटम ऑप्टिक्स सुपरकंडक्टिविटी ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स ऑप्टिकल मेट्रोलॉजी इंजीनियरिंग