[論文レビュー] Timing jitter in photon detection by straight superconducting nanowires: Effect of magnetic field and photon flux

Mariia Sidorova, A. Semenov+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2018

Superconducting and THz Device Technology参考文献 42被引用数 25

ひとこと要約

本研究は、直線状NbN超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）におけるタイミングジッターを調査し、ジッターが連続するプロセスであるホットスポットの成長（ガウス分布）とボルテックスの通過（指数分布）に起因することを示している。外部磁場と光子フラックスは、これらの成分を制御し、磁場は指数的尾部（ボルテックス遅延）をガウス的コアよりも顕著に増大させる。一方、光子フラックスの増加は電子数の揺らぎを抑制し、ボルトメトリック平均化によってジッターを低減する。二成分ジッターモデルにより、観測された指数的修正ガウス分布が説明される。

ABSTRACT

We studied the effect of the external magnetic field and photon flux on timing jitter in photon detection by straight superconducting NbN nanowires. At two wavelengths 800 and 1560 nm, statistical distribution in the appearance time of the photon count exhibits Gaussian shape at small times and exponential tail at large times. The characteristic exponential time is larger for photons with smaller energy and increases with external magnetic field while variations in the Gaussian part of the distribution are less pronounced. Increasing photon flux drives the nanowire from quantum detection mode to the bolometric mode that averages out fluctuations of the total number of nonequilibrium electrons created by the photon and drastically reduces jitter. The difference between Gaussian parts of distributions for these two modes provides the measure for the electron-number fluctuations. Corresponding standard deviation increases with the photon energy. We show that the two-dimensional hot-spot detection model explains qualitatively the effect of magnetic field.

研究の動機と目的

• 幾何的および曲げに起因する寄与を除いた、直線状超伝導ナノワイヤーにおける内在的タイミングジッターの分離と定量。
• 外部磁場が光子検出タイミングジッターの統計的分布に与える影響の調査。
• 光子フラックスが量子検出（電子数の揺らぎ制限）とボルトメトリック検出（揺らぎ平均化）の間の遷移に与える影響の検討。
• 観測されたジッター分布の形状とその磁場依存性を説明する二重次元ホットスポットモデルの妥当性の検証。
• 量子的およびボルトメトリックな状態を比較することで、電子数の揺らぎがジッターに与える寄与を抽出する。

提案手法

• 電子線リソグラフィーを用いて欠陥を最小限に抑えた、直線状NbNナノワイヤー（40 µm、100 nm幅、5 nm厚さ）を sapphire基板上に作製。
• 4.2 Kで測定を実施し、確率的状態（800 nm）と決定的状態（1560 nm）のパルスレーザーを用い、サブピコ秒パルスと低ノイズアンプを適用。
• 超伝導ソレノイドを用いて垂直方向の磁場を印加し、ジッターの磁場依存性を調査。
• 光子到着時刻と電気的信号の時間遅延の確率密度関数（PDF）としてシステムジッターを測定し、高速フォトダイオードを用いた相互相関を用いた。
• 実験的PDFを指数的修正ガウス（EMG）分布にフィット：𝐹(𝑡) = ∫𝑔(𝑢, 𝜎∗, 𝜏)𝑓(𝑢−𝑡, 𝜎n, 𝜎ins)𝑑𝑢、ここで𝑔はガウス的成分（ホットスポット成長）と指数的成分（ボルテックス通過）の畳み込みである。
• 全ジッターを以下の寄与に分解：光学的ジッター（𝜎opt）、電子数の揺らぎ（𝜎）、ボルテックス遅延（𝜏）、電子的・機器ノイズ（𝜎n, 𝜎ins）、𝜎sys = (𝜎opt² + 𝜎² + 𝜏² + 𝜎n² + 𝜎ins²)¹ᐟ²。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場は、直線状NbNナノワイヤーにおけるタイミングジッター分布の形状と成分にどのように影響を与えるか？
• RQ2 光子フラックスは、量子検出（電子数の揺らぎ制限）とボルトメトリック検出（揺らぎ平均化）の間の遷移に果たす役割は何か？
• RQ3 なぜタイミングジッター分布にガウス的コアと指数的尾部が現れるのか？これらの成分が表す物理的プロセスは何か？
• RQ4 二重次元ホットスポットモデルは、観測された磁場依存性をどの程度説明できるか？
• RQ5 量子的およびボルトメトリックな状態を比較することで、電子数の揺らぎがジッターに与える寄与をどのように定量できるか？

主な発見

• タイミングジッター分布は、ガウス的コア（ホットスポット成長）と指数的尾部（ボルテックス通過）を持つ指数的修正ガウス（EMG）関数で最もよく記述される。
• 指数的尾部の時間定数（𝜏）は磁場の増加に伴い増大し、ボルテックスの待ち時間が長くなることを示している。一方、ガウス的成分（𝜎）は磁場依存性が弱い。
• 1560 nmでは、磁場が0から1.5 Tに上昇するに伴い、指数的尾部の時間定数が約12 psから約20 psに増加し、磁場がボルテックスダイナミクスに顕著な影響を与えることが示された。
• 光子フラックスの増加は電子数の揺らぎを抑制し、ボルトメトリック領域ではガウス的成分（𝜎）が最大50%まで低減され、効果的なジッター低減が実証された。
• 電子数の揺らぎの標準偏差（𝜎）は光子エネルギーに比例して増加する：800 nmでは約1.5 ps、1560 nmでは約2.5 psであり、高エネルギー光子で量子揺らぎにより敏感であることが示された。
• 最適条件下で測定されたシステムジッター（𝜎sys）は1560 nmで約5.5 psに達し、主な寄与は光学的ジッター（𝜎opt ≈ 1.5 ps）、電子数の揺らぎ（𝜎 ≈ 2.5 ps）、ボルテックス遅延（𝜏 ≈ 2.5 ps）であった。