[논문 리뷰] Timing jitter in photon detection by straight superconducting nanowires: Effect of magnetic field and photon flux

Mariia Sidorova, A. Semenov외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 19.

Superconducting and THz Device Technology참고 문헌 42인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 직선 NbN 초도체 나노와이어 단일 광자 검출기(SNSPD)에서의 타이밍 제트를 조사하며, 제트가 순차적 과정인 핫스팟 성장(Gaussian)과 비오트론 교차(지수분포)에서 기인함을 보여준다. 자속과 광자 레이트는 이러한 구성 요소를 조절하며, 자속은 지수 꼬리(비오트론 지연)를 더 강하게 증가시키고, 광자 레이트가 높을수록 전자 수 변동이 억제되어 볼로메트릭 평균화에 의해 제트가 감소한다. 이중 구성 요소 제트 모델은 관측된 지수 수정 가우시안 분포를 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기하학적 및 굽힘 유도 기여 없이 초도체 나노와이어 내부의 내재적 타이밍 제트를 분리하고 정량화하는 것.
• 외부 자기장이 광자 검출 타이밍 제트의 통계적 분포에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 광자 레이트가 양자 검출(전자 수 변동 제한)과 볼로메트릭 검출(변동성 평균화) 영역 간 전이에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 관측된 제트 분포 형태와 그 자기장 의존성에 대한 이중 차원 핫스팟 모델을 검증하는 것.
• 양자 영역과 볼로메트릭 영역를 비교함으로써 전자 수 변동이 제트에 기여하는 정도를 추출하는 것.

제안 방법

• 결함 최소화를 위해 전자선 리소그래피를 사용해 제작한 직선 NbN 나노와이어(40 µm, 100 nm 너비, 5 nm 두께)를 사파이어 기판에 배치.
• 4.2 K에서 800 nm(확률적 영역) 및 1560 nm(결정적 영역)에서 펄스 레이저를 사용해 측정하였으며, 피크 시간이 피코초 이하인 펄스와 저노이즈 증폭기를 사용.
• 초도체 솔레노이드를 통해 수직 자기장을 적용하여 제트의 자기장 의존성을 탐색.
• 광자 도착 시점과 전기적 신호 간의 시간 지연 확률 밀도 함수(PDF)를 측정하여 시스템 제트를 정의하며, 빠른 광다이오드와의 교차 상관관계를 사용.
• 실험적 PDF를 지수 수정 가우시안(EMG) 분포로 피팅: 𝐹(𝑡) = ∫𝑔(𝑢, 𝜎∗, 𝜏)𝑓(𝑢−𝑡, 𝜎n, 𝜎ins)𝑑𝑢, 여기서 𝑔는 가우시안(핫스팟 성장)과 지수(비오트론 교차) 구성 요소의 컨볼루션이다.
• 총 제트를 다음과 같은 기여 요소로 분해: 광학적 제트(𝜎opt), 전자 수 변동(𝜎), 비오트론 지연(𝜏), 전자적/장치 노이즈(𝜎n, 𝜎ins), 총 제트는 𝜎sys = (𝜎opt² + 𝜎² + 𝜏² + 𝜎n² + 𝜎ins²)¹ᐟ²로 표현.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장이 직선 NbN 나노와이어에서 타이밍 제트 분포의 형태와 구성 요소에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 광자 레이트가 양자 검출(전자 수 변동 제한)과 볼로메트릭 검출(변동성 평균화) 영역 간 전이에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ3 왜 타이밍 제트 분포가 가우시안 코어와 지수 꼬리를 가지며, 이러한 구성 요소는 각각 어떤 물리적 과정을 나타내는가?
• RQ4 이중 차원 핫스팟 모델이 관측된 자기장 의존성 제트를 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ5 양자 영역과 볼로메트릭 영역를 비교함으로써 전자 수 변동이 제트에 기여하는 정도를 어떻게 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 타이밍 제트 분포는 지수 수정 가우시안(EMG) 함수로 가장 잘 기술되며, 가우시안 코어(핫스팟 성장)와 지수 꼬리(비오트론 교차)로 구성된다.
• 지수 꼬리 시간 상수(𝜏)는 자기장 증가에 따라 증가하여 비오트론 대기 시간이 길어짐을 나타내며, 가우시안 구성 요소(𝜎)는 자기장 의존성이 더 약하다.
• 1560 nm에서 자기장이 0에서 1.5 T로 증가함에 따라 지수 꼬리 시간 상수가 약 12 ps에서 약 20 ps로 증가하여 자기장이 비오트론 역학에 강한 영향을 미침을 보여준다.
• 광자 레이트를 높일수록 전자 수 변동이 억제되어 가우시안 구성 요소(𝜎)가 최대 50% 감소하며, 효과적인 제트 억제를 입증한다.
• 전자 수 변동의 표준편차(𝜎)는 광자 에너지 증가에 따라 증가한다: 800 nm에서 약 1.5 ps, 1560 nm에서 약 2.5 ps로, 높은 광자 에너지에서 더 높은 양자 변동 민감도를 나타낸다.
• 최적 조건에서 측정된 시스템 제트(𝜎sys)는 1560 nm에서 약 5.5 ps에 도달하며, 주요 기여 요소는 광학적 제트(𝜎opt ≈ 1.5 ps), 전자 수 변동(𝜎 ≈ 2.5 ps), 비오트론 지연(𝜏 ≈ 2.5 ps)이다.