[论文解读] 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 25

一句话总结

本研究探讨了直条NbN超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）中的时间抖动，表明抖动源于两个连续过程：热点生长（高斯分布）和涡旋穿隧（指数分布）。外加磁场和光子通量调制了这两个分量，其中磁场使指数尾部（涡旋延迟）的延长比高斯核心更显著，而更高的光子通量则通过热电平均效应抑制电子数波动，从而降低抖动。双组分抖动模型解释了观测到的指数修正高斯分布。

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.

研究动机与目标

• 分离并量化直条超导纳米线中固有的时间抖动，排除几何和弯曲引起的贡献。
• 研究外加磁场对光子探测时间抖动统计分布的影响。
• 考察光子通量如何影响从量子探测（电子数波动受限）到热电探测（波动平均化）的转变。
• 验证二维热点模型，以解释观测到的抖动分布形状及其磁场依赖性。
• 通过比较量子与热电探测区域，提取电子数波动对抖动的贡献。

提出的方法

• 采用直条NbN纳米线（40 µm，100 nm宽，5 nm厚）在蓝宝石衬底上制备，通过电子束光刻工艺以最小化缺陷。
• 在4.2 K下进行测量，使用波长为800 nm（概率性区域）和1560 nm（确定性区域）的脉冲激光，采用亚皮秒脉冲和低噪声放大器。
• 通过超导螺线管施加垂直磁场，以研究抖动的磁场依赖性。
• 将系统抖动测量为光子到达与电信号之间时间延迟的概率密度函数（PDF），利用与快速光电二极管的互相关技术。
• 将实验PDF拟合为指数修正高斯（EMG）分布：𝐹(𝑡) = ∫𝑔(𝑢, 𝜎∗, 𝜏)𝑓(𝑢−𝑡, 𝜎n, 𝜎ins)𝑑𝑢，其中𝑔为高斯（热点生长）与指数（涡旋穿隧）分量的卷积。
• 将总抖动分解为各贡献项：光学抖动（𝜎opt）、电子数波动（𝜎）、涡旋延迟（𝜏）以及电子/仪器噪声（𝜎n, 𝜎ins），总系统抖动为𝜎sys = (𝜎opt² + 𝜎² + 𝜏² + 𝜎n² + 𝜎ins²)¹ᐟ²。

实验结果

研究问题

• RQ1 外加磁场如何影响直条NbN纳米线中时间抖动分布的形状及其分量？
• RQ2 光子通量在从量子探测（电子数波动受限）到热电探测（波动平均化）转变中起什么作用？
• RQ3 为何时间抖动分布呈现高斯核心与指数尾部？这些分量分别代表何种物理过程？
• RQ4 二维热点模型在多大程度上能解释观测到的抖动磁场依赖性？
• RQ5 如何通过比较量子与热电探测区域，量化电子数波动对抖动的贡献？

主要发现

• 时间抖动分布最适宜用指数修正高斯（EMG）函数描述，具有高斯核心（热点生长）和指数尾部（涡旋穿隧）。
• 指数尾部的时间常数（𝜏）随磁场增加而增大，表明涡旋等待时间变长，而高斯分量（𝜎）的磁场依赖性较弱。
• 在1560 nm波长下，当磁场从0增加到1.5 T时，指数尾部时间常数从约12 ps增加至约20 ps，表明磁场对涡旋动力学有显著影响。
• 提高光子通量可抑制电子数波动，使高斯分量（𝜎）在热电区域最多降低50%，证明了有效的抖动抑制。
• 电子数波动的标准差（𝜎）随光子能量增加而增大：在800 nm时约为1.5 ps，在1560 nm时约为2.5 ps，表明在更高光子能量下对量子波动更敏感。
• 在最优条件下，测量得到的系统抖动（𝜎sys）在1560 nm波长下达到约5.5 ps，主要贡献来自光学抖动（𝜎opt ≈ 1.5 ps）、电子数波动（𝜎 ≈ 2.5 ps）和涡旋延迟（𝜏 ≈ 2.5 ps）。