ИСТИНА

В проекте будут исследованы образцы детекторов со сверхпроводящими элементами, изготовленными в виде тонких полосок NbN с шириной порядка нескольких микрон. По своей форме они принципиально отличаются от чувствительных элементов оптических однофотонных приемников, представляющих собой структуры из нанометровых нитей (superconducting nanowire single photon detector - SNSPD). Однако технология SNSPD, хорошо зарекомендовавшая себя в ближнем ИК диапазоне, не позволила продвинуться в создании однофотонных приемников ТГц диапазона. В проекте впервые будут изучены возможности альтернативного подхода к созданию сверхпроводящих элементов. Применение широких полосок позволяет использовать планарную антенну для эффективного поглощения длинноволновых фотонов и успешно применяется в настоящее время для создания быстродействующих аналоговых ТГц детекторов. Сравнительно недавно в группе разработчиков из МПГУ была продемонстрирована и возможность создания однофотонных детекторов на базе полосковых элементов, но пока на длине волны 1.55 мкм. В ходе выполнения проекта будут исследованы параметры отклика сверхпроводниковых детекторов с NbN полосками микронной ширины, интегрированными с антеннами. Исследования, нацеленные на поиск условий однофотонного детектирования, будут проводиться в различных режимах смещения на вольт-амперной характеристике – впервые для таких конструкций в области критической плотности тока, при облучении фотонами параметрического рассеяния с частотами 1-4 ТГц и в ИК области длин волн 3-7 мкм. Методами абсолютной фотометрии параметрического рассеяния света, развитыми на предыдущих этапах проекта, будут исследованы спектральные чувствительности болометров в различных режимах насыщения, квантовые эффективности и условия образования единичных токовых откликов. Будет проведен анализ и комплексное моделирование статистических распределений аналоговых показаний, нацеленное на поиск режимов с минимальной дисперсией амплитуды единичного отклика. Наряду с расширением спектрального диапазона уже созданной установки с генерацией оптико-терагерцовых бифотонов, впервые будет разработана и экспериментально реализована схема невырожденного параметрического рассеяния света на верхней фонон-поляритонной ветви дисперсионной зависимости нелинейного кристалла - для исследования аналогового отклика сверхпроводниковых детекторов ИК излучения.

The development of many relevant applications of long-wave radiation is currently being held back due to the lack of high-speed, highly sensitive terahertz (THz) and far infrared (IR) detectors capable of registering the number of incoming photons. It is well known how important the emergence of single-photon detectors in the visible and near-infrared ranges has become for the development of optical quantum technologies, communications, chemistry and astrophysics. However, no methods have yet been found to create working single-photon detectors capable of operating in longer wavelength ranges of the spectrum at temperatures above hundreds of milliKelvins. To advance in solving this problem, it is planned to combine the experience of two scientific groups: a group of performers of the previous stage of the RSF project, which developed during its implementation a unique technology for studying cooled THz receivers in the detection mode of ultra-weak quantum-calibrated photon fluxes, and a group of Russian developers of superconducting detectors with direct experience in creating single-photon optical receivers and still analog receivers in the THz range. The project will examine samples of detectors with superconducting elements made in the form of thin NbN films with a width of the order of several microns. In their shape, they are fundamentally different from the sensitive elements of optical single-photon receivers, which are structures made of nanowires (superconducting nanowire single photon detector - SNSPD). However, the SNSPD technology, which has proven itself well in the near-infrared range, has not allowed progress in the creation of single-photon THz receivers. For the first time, the project will explore the possibilities of an alternative approach to the creation of superconducting elements. The use of wide films makes it possible to use a planar antenna for effective absorption of long-wavelength photons and is currently being successfully used to create high-speed analog THz detectors. Relatively recently, a group of developers from the Moscow State Pedagogical University demonstrated the possibility of creating single-photon detectors based on films elements, but so far at a wavelength of 1.55 microns. During the project, the response parameters of superconducting detectors with NbN films of micron width integrated with antennas will be investigated. Studies aimed at finding conditions for single-photon detection will be carried out in various offset modes at the Volt–Ampere characteristic - for the first time near the critical current density for such constructions, when irradiated with photons of parametric down-conversion with frequencies of 1-4 THz and in the IR region of the wavelengths of 3-7 microns. The spectral responsivities of bolometers in various saturation modes, quantum efficiencies and conditions of the formation of single current responses will be investigated using the methods of absolute photometry of parametric down-conversion developed at previous stages of the project. The analysis and complex modeling of statistical distributions of analog readings will be carried out, aimed at finding modes with minimal single response variances. Along with the expansion of the spectral range of the already created setup for generation of optical-terahertz biphotons, for the first time a scheme of non-degenerate parametric down-conversion on the upper phonon-polariton branch of the dispersion law of a nonlinear crystal will be developed and experimentally implemented to study the analog response of superconducting IR radiation detectors.

1 этап: 1. Будет разработана схема экспериментальной установки для генерации методом параметрического рассеяния импульсов терагерцового излучения с малым средним числом фотонов на частотах в диапазоне 1-4 ТГц. 2. Будет разработан дизайн сверхпроводниковых NbN детекторов, интегрированных с антенной, оптимизированных для работы на частотах в дальнем ИК и ТГц диапазонах. 3. Будут исследованы температурные зависимости сопротивления, а также вольт-амперные характеристики сверхпроводящих детекторов NbN различной ширины. Будут измерены критические токи детекторов. 4. Будут исследованы зависимости параметров элементарного отклика детекторов на основе пленок NbN от режимов смещения и облучения терагерцовыми импульсами различной мощности. 5. Будет определен характер изменения вольт-ваттной чувствительности и эквивалентной мощности шума детекторов на основе пленок NbN в зависимости от режима смещения. 6. Будут определены дисперсионные зависимости показателей преломления и условия параметрической генерации излучения высоких терагерцовых частот и среднего ИК диапазона в кристалле иодата лития. Будут предложены способы эффективного выведения терагерцового излучения из нелинейных кристаллов ниобата и иодата лития. 2 этап: 1. Будут развиты методы генерации и измерения по аналоговым показаниям детекторов корреляционной функции квантово-коррелированных пар фотонов, один из которых имеет частоту в видимой области, другой - в инфракрасной области спектра. 2. Будет разработана схема экспериментальной установки для генерации методом параметрического рассеяния импульсов инфракрасного излучения с калиброванным средним числом фотонов в диапазоне длин волн 3-7 мкм. 3. Будет разработан дизайн сверхпроводниковых NbN детекторов, интегрированных с антенной, оптимизированных для регистрации инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 3 -7 мкм. Будет определен характер изменения вольт-ваттной чувствительности и эквивалентной мощности шума детекторов на основе пленок NbN в зависимости от режима смещения. 4. Будут исследованы зависимости параметров элементарного отклика детекторов на основе пленок NbN от режимов смещения и облучения инфракрасными импульсами различной мощности. 5. Будут определены условия осуществления режима однофотонного детектирования в полосках NbN микронных размеров.

В Проекте 2022 года были разработаны новые методы исследования терагерцовых (ТГц) детекторов, основанные на применении взаимно-коррелированных оптических и ТГц фотонов. Для генерации пар квантово-коррелированных фотонов (бифотонов) были созданы установки параметрического рассеяния (ПР) света с эмиссией оптико-терагерцовых (на частотах холостого излучения 1 и 1.5 ТГц) или полностью оптических бифотонов. Исследования подходов к безэталонному измерению квантовой эффективности и спектральной чувствительности ТГц детектора проводились на примере сверхпроводникового болометра на горячих электронах (HEB) с криогенным усилителем. Как и подавляющее большинство существующих в настоящее время ТГц детекторов, HEB детектор не способен работать в режиме счета фотонов и относится к разряду аналоговых приемников. К таким приемникам были неприменимы известные подходы абсолютной квантовой фотометрии, разработанные для однофотонных оптических детекторов. В ходе выполнения проекта были впервые разработаны методы для абсолютной калибровки аналоговых детекторов различных диапазонов, включая оптический и ТГц. Верификация результатов и сравнение с данными известных методик проводились на установках по генерации оптических бифотонов, поскольку при этом была возможна замена всех аналоговых детекторов на счетчики фотонов.