[論文レビュー] Observation of electron-hole pair quantization in a high voltage cryogenic silicon detector with superconducting phonon sensor readout

R. K. Romani, P. L. Brink+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2017

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、35mKで冷やされた1cm² × 4mmのシリコン結晶において、準粒子トラップを備えた電熱フィードバック遷移端センサーを用いた超伝導フォノンセンサーを用いて、個々の電子・正孔対の分解能を達成した。フォノンセンサーのノイズは約0.09 e⁻h⁺対であり、実験では電子と正孔の両方でほぼ同一の電荷量子化が得られ、高電圧冷凍検出器における量子レベルの電荷検出が確認された。

ABSTRACT

We demonstrate that individual electron-hole pairs are resolved in a 1cm$^2$ by 4mm thick silicon crystal (0.93g) operated at $\sim$35mK. One side of the detector is patterned with two quasiparticle-trap-assisted electro-thermal-feedback transition edge sensor (QET) arrays held near ground potential. The other side contains a bias grid with 20% coverage. Bias potentials up to $\pm$160V were used in the work reported here. A fiber optic provides 650nm (1.9eV) photons that each produce an electron-hole ($e^{-} h^{+}$) pair in the crystal near the grid. The energy of the drifting charges is measured with a phonon sensor noise $\sigma$ $\sim$0.09 $e^{-} h^{+}$ pair. The observed charge quantization is nearly identical for $h^+$'s or $e^-$'s transported across the crystal.

研究の動機と目的

• 高電圧冷凍シリコン検出器において、単一の電子・正孔対の分解能を達成すること。
• 高不純物・高抵抗率シリコン結晶における電子および正孔の電荷量子化を調査すること。
• 準粒子トラップを備えた電熱フィードバック遷移端センサー（QETs）が、電荷移動に起因する低エネルギーフォノンを検出する性能を評価すること。
• 電子および正孔の輸送が、フォノンセンサー応答において区別できない量子化シグナルを生じるかどうかを特定すること。

提案手法

• 1cm² × 4mmのシリコン結晶を約35mKに冷却し、量子干渉的電荷輸送を可能にする。
• 結晶の一方の面に、ノイズ低減のための電熱フィードバックを用いた2つのQETアレイをパターン形成し、地電位近辺で動作させた。
• 反対側には20%透過性のバイアスグリッドを設け、電界を±160Vまで印加して電荷移動を誘導した。
• 650nm（1.9eV）の光子を注入して、バイアスグリッド付近で電子・正孔対を生成し、電荷移動イベントを模擬した。
• 移動電荷に起因するフォノンを、ノイズfloorが約0.09 e⁻h⁺対の超伝導遷移端センサーで検出した。
• 電子および正孔のエネルギー付加スペクトルを比較することで、電荷量子化を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導フォノンセンサーを用いて、高電圧冷凍シリコン検出器で個々の電子・正孔対を分解できるか？
• RQ2 ミリケルビン温度下の高抵抗率シリコンにおいて、電子および正孔の電荷輸送量子化が同一であるか？
• RQ3 フォノンセンサー系がシリコンにおける電荷移動イベントを検出する際のエネルギー分解能は何か？
• RQ4 QETアレイの準粒子トラップ設計が、フォノン信号の忠実性およびノイズ性能に与える影響は何か？
• RQ5 ±160Vまでの印加バイアス電圧が、観測された電荷量子化またはフォノン信号形状に影響を与えるか？

主な発見

• フォノンセンサーのノイズが約0.09 e⁻h⁺対であることを踏まえ、個々の電子・正孔対が分解能を示し、電子電荷未満の分解能が達成された。
• エネルギースペクトルに明確な量子化ステップが観測され、離散的電荷輸送が確認された。
• 電子および正孔の両方で電荷量子化がほぼ同一であり、信号応答に顕著な非対称性は観測されなかった。
• 超伝導フォノンセンサーは、高い電圧バイアス下でも、単一対イベントを識別するのに十分なエネルギー分解能を達成した。
• 準粒子トラップを備えたQETアレイは、熱雑音を効果的に抑制し、地電位近辺での安定動作を可能にした。
• システムは正および負のバイアス電圧の両方で優れた性能を示し、両キャリアタイプの電荷検出が一貫して可能であることを確認した。