Superconducting nanowire single-photon detector
سپر کنڈکٹنگ نانووائر سنگل فوٹون ڈٹیکٹر (ایس این ایس پی ڈی یا ایس ایس پی ڈی) ایک قسم کا آپٹیکل اور قریب انفراریڈ سنگل فوٹون ڈٹیکٹر ہے جو موجودہ تعصب پر مبنی سپر کنڈکٹنگ نانووائر پر مبنی ہے۔ اسے سب سے پہلے 2001 میں ماسکو اسٹیٹ پیڈگوجیکل یونیورسٹی اور یونیورسٹی آف روچیسٹر کے سائنسدانوں نے تیار کیا تھا۔ پہلے مکمل طور پر آپریشنل پروٹو ٹائپ کا مظاہرہ 2005 میں نیشنل انسٹی ٹیوٹ آف اسٹینڈرڈز اینڈ ٹیکنالوجی (بولڈر) اور بی بی این ٹیکنالوجیز نے ڈی اے آر پی اے کوانٹم نیٹ ورک کے حصے کے طور پر کیا تھا۔ 2023 تک، ایک سپر کنڈکٹنگ نانووائر سنگل فوٹون ڈٹیکٹر فوٹون گنتی کے لیے تیز ترین سنگل فوٹون ڈٹیکٹر (ایس پی ڈی) ہے۔ یہ کوانٹم آپٹکس اور آپٹیکل کوانٹم ٹیکنالوجیز کے لیے ایک کلیدی فعال ٹیکنالوجی ہے۔ سنگل فوٹون ڈٹیکٹرز کی دیگر اقسام کے مقابلے میں ایس این ایس پی ڈیز بہت زیادہ پتہ لگانے کی کارکردگی، بہت کم ڈارک کاؤنٹ ریٹ اور بہت کم ٹائمنگ جٹر کے ساتھ دستیاب ہیں۔ ایس این ایس پی ڈیز انٹرنیشنل الیکٹرو ٹیکنیکل کمیشن (آئی ای سی) کے بین الاقوامی معیارات کے تحت آتے ہیں۔ 2023 تک، تجارتی ایس این ایس پی ڈی ڈیوائسز ملٹی چینل سسٹمز میں 100,000 یورو کی قیمت کی حد میں دستیاب ہیں۔ آپریشن کا اصول ایس این ایس پی ڈی ایک پتلی (≈ 5 این ایم) اور تنگ (≈ 100 این ایم) سپر کنڈکٹنگ نانووائر پر مشتمل ہے۔ لمبائی عام طور پر سینکڑوں مائکرو میٹر ہوتی ہے، اور نینو وائر کو اعلی پتہ لگانے کی کارکردگی کے ساتھ مربع یا سرکلر پکسل بنانے کے لیے ایک کمپیکٹ مینڈر جیومیٹری میں نمونہ بنایا جاتا ہے۔ نانووائر کو اس کے سپر کنڈکٹنگ کریٹیکل درجہ حرارت سے بہت نیچے ٹھنڈا کیا جاتا ہے اور ڈی سی کرنٹ کے ساتھ متعصبانہ ہوتا ہے جو نانووائر کے سپر کنڈکٹنگ کریٹیکل کرنٹ کے قریب لیکن اس سے کم ہوتا ہے۔ نانووائر پر ایک فوٹون واقعہ کوپر کے جوڑوں کو توڑ دیتا ہے اور مقامی اہم کرنٹ کو بائیس کرنٹ سے نیچے کم کر دیتا ہے۔ اس کے نتیجے میں محدود برقی مزاحمت کے ساتھ ایک مقامی غیر سپر کنڈکٹنگ ریجن، یا ہاٹ اسپاٹ کی تشکیل ہوتی ہے۔ یہ مزاحمت عام طور پر ریڈ آؤٹ ایمپلیفائر کے 50 اوھم ان پٹ امپیڈینس سے بڑی ہوتی ہے، اور اس لیے زیادہ تر بائیس کرنٹ کو ایمپلیفائر کی طرف موڑ دیا جاتا ہے۔ یہ ایک قابل پیمائش وولٹیج پلس پیدا کرتا ہے جو تقریبا 50 اوھم سے ضرب شدہ بائیس کرنٹ کے برابر ہوتا ہے۔ ایمپلیفائر کے ذریعے بہنے والے زیادہ تر بائیس کرنٹ کے ساتھ، غیر سپر کنڈکٹنگ خطہ ٹھنڈا ہو جاتا ہے اور سپر کنڈکٹنگ حالت میں واپس آ جاتا ہے۔ کرنٹ کے نانووائر پر واپس آنے کا وقت عام طور پر نانووائر کے انڈکٹو ٹائم کانسٹینٹ کے ذریعہ مقرر کیا جاتا ہے، جو نانووائر کے حرکی انڈکشن کو ریڈ آؤٹ سرکٹ کی رکاوٹ سے تقسیم کرنے کے برابر ہوتا ہے۔ ڈیوائس کی مناسب سیلف ری سیٹنگ کے لیے ضروری ہے کہ یہ انڈکٹو ٹائم کانسٹینٹ نانووائر ہاٹ اسپاٹ کے اندرونی کولنگ ٹائم سے سست ہو۔ اگرچہ ایس این ایس پی ڈی سپر کنڈکٹنگ ٹرانزیشن ایج سینسر کی اندرونی توانائی یا فوٹون نمبر ریزولوشن سے میل نہیں کھاتا ہے، لیکن ایس این ایس پی ڈی روایتی ٹرانزیشن ایج سینسرز سے نمایاں طور پر تیز ہے اور زیادہ درجہ حرارت پر کام کرتا ہے۔ ٹائم بائننگ یا ایڈوانسڈ ریڈ آؤٹ اسکیموں کے ذریعے ایس این ایس پی ڈی صفوں میں فوٹون نمبر ریزولوشن کی ڈگری حاصل کی جا سکتی ہے۔ زیادہ تر ایس این ایس پی ڈی سپٹرڈ نیوبیئم نائٹرائڈ (این بی این) سے بنے ہوتے ہیں، جو نسبتا زیادہ سپر کنڈکٹنگ کریٹیکل درجہ حرارت (≈ 10 کے) پیش کرتا ہے جو درجہ حرارت کی حد 1 کے سے 4 کے (مائع ہیلیم یا جدید بند سائیکل کریو کولرز کے ساتھ مطابقت رکھتا ہے) میں ایس این ایس پی ڈی آپریشن کو قابل بناتا ہے۔ این بی این کے اندرونی تھرمل وقت کے مستقل قلیل ہوتے ہیں، جو فوٹون جذب (<100 پیکوسیکنڈز) کے بعد بہت تیز ٹھنڈک کا وقت دیتے ہیں۔ سپر کنڈکٹنگ نانووائر میں جذب کو مختلف حکمت عملیوں سے بڑھایا جا سکتا ہے: آپٹیکل کیوٹی کے ساتھ انضمام، فوٹوونک ویو گائیڈ کے ساتھ انضمام یا نینو اینٹینا ڈھانچے کا اضافہ۔ این بی این، این بی ٹی آئی این، ڈبلیو ایس آئی اور ایم او ایس آئی میں ایس این ایس پی ڈی کیوٹی ڈیوائسز نے دسیوں میگاہرٹز میں گنتی کی شرحوں کے ساتھ 1550 این ایم طول موج پر 98 فیصد سے زیادہ فائبر جوڑے والے ڈیوائس کا پتہ لگانے کی استعداد کا مظاہرہ کیا ہے۔ ہر ڈٹیکٹر میں ایک مخصوص طول موج کی حد کے لیے پتہ لگانے کی استعداد کو بہتر بنایا جاتا ہے۔ تاہم، نینو وائروں کے انتہائی مقامی علاقوں کی وجہ سے وہ وسیع پیمانے پر مختلف ہوتے ہیں جہاں سپر کنڈکٹنگ کرنٹ کے لیے موثر کراس سیکشنل ایریا کم ہو جاتا ہے۔ ایس این ایس پی ڈی آلات نے غیر معمولی طور پر کم جٹر کا بھی مظاہرہ کیا ہے-فوٹون کی آمد کے وقت میں غیر یقینی صورتحال-مرئی طول موج پر 3 پیکوسیکنڈز تک کم ہے۔ فوٹون توانائی کے گرنے کے ساتھ ہی وقت کا جٹر بڑھ جاتا ہے اور اس کی تصدیق 3.5 مائیکرو میٹر طول موج تک کی گئی ہے۔ ٹائم جٹر وقت سے متعلق سنگل فوٹون کاؤنٹنگ (ٹی سی ایس پی سی) ایپلی کیشنز کے لیے ایک انتہائی اہم خاصیت ہے۔ مزید برآں، ایس این ایس پی ڈی میں سیاہ گنتی کی شرح انتہائی کم ہوتی ہے، یعنی۔ معلوم شدہ فوٹون کی عدم موجودگی میں وولٹیج دالوں کا ہونا۔ اس کے علاوہ، ڈیڈ ٹائم (پتہ لگانے کے واقعے کے بعد وقت کا وقفہ جس کے دوران ڈٹیکٹر حساس نہیں ہوتا ہے) چند نینو سیکنڈ کی ترتیب پر ہوتا ہے، یہ مختصر ڈیڈ ٹائم بہت زیادہ سیچوریشن گنتی کی شرحوں میں تبدیل ہوتا ہے اور ایک ہی ڈٹیکٹر کے ساتھ اینٹی پنچنگ پیمائش کو قابل بناتا ہے۔ تاہم، طویل طول موج والے فوٹونوں کا پتہ لگانے کے لیے، معیاری ایس این ایس پی ڈی کی پتہ لگانے کی کارکردگی نمایاں طور پر کم ہو جاتی ہے۔ قریب اورکت اور درمیانی اورکت طول موج پر پتہ لگانے کی کارکردگی کو بہتر بنانے کی حالیہ کوششوں میں تنگ (20 این ایم اور 30 این ایم چوڑے) این بی این نانووائر کے مطالعے کے ساتھ ساتھ این بی این (ٹونگسٹن سلائڈ، نیوبیئم سلائڈ، مولیبڈینم سلائڈ اور ٹینٹلم نائٹرائڈ) کے مقابلے میں کم سپر کنڈکٹنگ نازک درجہ حرارت کے ساتھ متبادل سپر کنڈکٹنگ مواد کا وسیع مطالعہ شامل ہے۔ 10 مائکرو میٹر طول موج تک کی واحد فوٹون حساسیت کا حال ہی میں ٹونگسٹن سلائڈ ایس این ایس پی ڈی میں مظاہرہ کیا گیا ہے۔ متبادل پتلی فلم جمع کرنے کی تکنیکیں جیسے جوہری پرت جمع کرنا ایس این ایس پی ڈی کی سپیکٹرم رینج اور اسکیل ایبلٹی کو بڑے علاقوں تک بڑھانے کے لیے دلچسپی کا باعث ہیں۔ کچھ حوصلہ افزا حالیہ رپورٹوں کے ساتھ ایس این ایس پی ڈی کے لیے اعلی درجہ حرارت والے سپر کنڈکٹرز کی تحقیقات کی گئی ہیں۔ ایس این ایس پی ڈیز میگنیشیم ڈائبورائڈ سے دکھائی دینے والے اور قریب اورکت میں کچھ واحد فوٹون حساسیت کے ساتھ بنائے گئے ہیں۔ ایس این ایس پی ڈی کو بڑے ملٹی پکسل صفوں اور کیمروں تک بڑھانے میں کافی دلچسپی اور کوشش ہے۔ ایک کلو پکسل ایس این ایس پی ڈی صف حال ہی میں رپورٹ کی گئی ہے۔ ایک اہم چیلنج ریڈ آؤٹ ہے، جسے سپر کنڈکٹنگ سنگل فلکس کوانٹم منطق کا استعمال کرتے ہوئے ملٹی پلیکسنگ یا ڈیجیٹل ریڈ آؤٹ کے ذریعے حل کیا جا سکتا ہے۔ ایپلی کیشنز ایس این ایس پی ڈی کے بہت سے ابتدائی ایپلی کیشن مظاہر کوانٹم معلومات کے شعبے میں رہے ہیں، جیسے کہ کوانٹم کلیدی تقسیم اور آپٹیکل کوانٹم کمپیوٹنگ۔ دیگر موجودہ اور ابھرتی ہوئی ایپلی کیشنز میں سی ایم او ایس سرکٹری میں عیب کے تجزیے کے لیے انفراریڈ فوٹومیشن کی امیجنگ، سنگل فوٹون ایمیٹر کیریکٹرائزیشن، ایل آئی ڈی اے آر، آن چپ کوانٹم آپٹکس، آپٹیکل نیورومورفک کمپیوٹنگ، فائبر آپٹک ٹمپریچر سینسنگ، آپٹیکل ٹائم ڈومین ریفلیکٹومیٹری، آئن ٹریپ کیوبیٹس کے لیے ریڈ آؤٹ، کوانٹم پلازمونکس، سنگل الیکٹران کا پتہ لگانا، سنگل α اور β پارٹیکل کا پتہ لگانا، سنگل آکسیجن لومینسینس کا پتہ لگانا، ڈیپ اسپیس آپٹیکل کمیونیکیشن، ڈارک میٹر سرچز اور ایکسوپلینیٹ کا پتہ لگانا شامل ہیں۔ دنیا بھر میں متعدد کمپنیاں سپر کنڈکٹنگ نانووائرز پر مبنی مکمل سنگل فوٹون ڈٹیکشن سسٹم کو کامیابی کے ساتھ تجارتی بنا رہی ہیں، جن میں سنگل کوانٹم، فوٹون اسپاٹ، کونٹیل، کوانٹم اوپس، آئی ڈی کوانٹک، فوٹیک اور پکسل فوٹوونکس شامل ہیں۔ ایس این ایس پی ڈی ٹیکنالوجی کو وسیع پیمانے پر اپنانا 4 کے اور اس سے نیچے کے لیے کریو کولرز میں پیشرفت سے قریب سے جڑا ہوا ہے، اور ایس این ایس پی ڈی کا حال ہی میں چھوٹے نظاموں میں مظاہرہ کیا گیا ہے۔ حوالہ جات پارٹیکل ڈیٹیکٹرز فوٹو ڈیٹیکٹرز ریڈیومیٹری سینسرز سپر کنڈکٹنگ ڈیٹیکٹرز کوانٹم آپٹکس سپر کنڈکٹیویٹی آپٹو الیکٹرانکس آپٹیکل میٹرولوجی انجینئرنگ