[論文レビュー] Detecting an infrared Photon within an Hour -- Transition-Edge Detector at ALPS-II

Jan Dreyling-Eschweiler, D. Horns|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Superconducting and THz Device Technology参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、アディアバティック脱磁化冷媒（ADR）を用いてミリケルビン温度で動作する、ALPS-II実験向けの遷移端センサー（TES）ベースの単一光子検出器の開発と特性評価が行われた。システムは1064 nmで相対エネルギー分解能7.7%を達成し、背景が10 µHz未満である条件下で単一赤外光子を検出可能であることを示した。これは、axion-like粒子の探索に不可欠な性能である。

ABSTRACT

An essential design requirement of the ALPS-II experiment is the efficient detection of single photons with a very low instrumental background of 10 μHz. In 2011 the ALPS collaboration started to set up a TES detector (Transition-Edge Sensor) for ALPS-II, the second phase of the experiment. Since mid of 2013 the setup is ready for characterization in the ALPS laboratory: an ADR cryostat (Adiabatic Demagnetization Refrigerator) as millikelvin environment, a low noise SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) with electronics for read-out and a fiber-coupled high-efficient TES for near-infrared photons as sensor. First measurements have shown a good discrimination between noise and 1064 nm signals.

研究の動機と目的

• ALPS-IIに向けた低バックグラウンド単一光子検出器を開発し、1064 nmの赤外光子を最小限の機器ノイズで検出すること。
• 1064 nmにおけるCCDの低い量子効率を補うために、近赤外光子に対してほぼ100%の効率を示す遷移端センサー（TES）を導入すること。
• 実験の感度に不可欠な10 µHz未満のバックグラウンドレベルを達成すること。
• ADR冷温器と低ノイズSQUID読み出し回路を用いて、ミリケルビン環境下でのTESベース検出器の特性評価を行うこと。

提案手法

• 遷移端センサー（TES）をその超伝導転移付近の電圧バイアス回路で動作させ、吸収された光子エネルギーが測定可能な抵抗変化を引き起こす。
• TESは誘導結合およびインピーダンス整合された読み出し回路を通じてdc-SQUIDに接続され、抵抗変化を測定可能な電圧パルスに変換される。
• 2段階のパルスチューブ冷却器と超伝導磁石を備えたアディアバティック脱磁化冷媒（ADR）を用いて30 mKまで冷却し、安定したミリケルビン浴を確保する。
• 2つのセンサーモジュールを実装した：1つはAIST製TESをセンサにファイバー接着し、もう1つはNIST製TESをFCファイバー接続器を用いて接続し、両方とも1064 nm光子に最適化されている。
• データ取得にはDPO700cオシロスコープを用い、最適な信号対ノイズ比を得るための作動点を調整した。
• 300 Kの熱放射源からの熱的バックグラウンドが主要なノイズ成分であると特定され、今後のシールドおよびフィルタリング戦略に影響を与えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TESベースの検出器は、ミリケルビン環境下で1064 nmの赤外光子を検出可能であり、十分なエネルギー分解能と信号対ノイズ分離が可能か？
• RQ2 TESシステムの機器的バックグラウンドレベルは何か？ALPS-IIの要件である10 µHz未満を満たせるか？
• RQ3 電子的ノイズ、ジョンソンノイズ、熱的ノイズ源は、検出器応答における真の光子信号と比較してどの程度の寄与を示すか？
• RQ4 ADR冷温器は、感度の高いTES測定に十分な温度安定性を有し、30 mKで長時間安定して動作可能か？
• RQ5 室温部品からの熱放射はバックグラウンドにどの程度寄与するか？また、その影響をどのように低減できるか？

主な発見

• TES検出器は測定において明確に区別可能な信号とノイズを達成し、1064 nmでの単一光子検出の可能性を確認した。
• 相対エネルギー分解能∆E/E = 7.7%を達成し、光子イベントにおける良好なエネルギー分離が可能であることを示した。
• 30 mKで24時間以上安定して動作し、温度安定性は±25 µK（rms）を達成した。これにより長時間測定が可能となった。
• 300 Kの熱放射源からの熱的光子が主要なバックグラウンド成分であると特定され、さらなる熱的シールドの必要性が浮き彫りになった。
• 減衰させた1066.7 nmレーザーを用いた信号検出に成功し、標的波長での機能性を確認した。
• AISTおよびNIST製TESセンサーモジュールの両方がSQUID読み出しシステムと正常に連携し、二重チャネル互換性が検証された。