《超导电子学》课件：超导应用 szl.pptx

1、成员：周渝 孙振龙 毛庆凯超导纳米线单光子探测器（SNSPD）超导太赫兹探测器直接检测 STJ混频检测 HEB探测器类型暗计数/Hz最大计数率/Hz时间抖动工作温度/KPNR近红外PMT1%/1550 nm200 K10 M300 ps200 K有InGaAs APD10%/1550 nm16 K100 M55 ps240 K有TES95%/1550 nm3100 K100 ns0.1 K有SNSPD3.5%/1550 nm100100 M60 ps2.4 K无Goltsman, G., A. Korneev, et al. (2009). Journal of Modern Optics 5

2、6(15): 1670-1680.超导材料本身性质结构设计超导能隙小超导态和正常态差异大1(0)2NVDe 1(0)1.14NVBcDk Te著名的BCS关于Tc的公式T=0K时，能隙2 (0)3.53Bck T氮化铌(Niobium Nitride, NbN)薄膜,其Tc=17K，0K时能隙为5.15meV。对应单个光子的波长为240 m。 随着温度接近Tc，能隙逐步降低，直至为0-9-6-30369-20020T=3.5 KI (uA)V (V) I-V(a)6810121416180.02.0M4.0M6.0MR ()T (K) R-T(b)几十纳米宽度的超导线条事实上是有助于提高器件的

3、探测效率的蜿蜒线结构能够增大超导纳米线的面积，因而一定程度上提高探测效率Goltsman, G. N., O. Okunev, et al. (2001). Applied Physics Letters 79(6): 705.可以简单看作是超导薄膜cooper对被拆散，变成准粒子，形成一定的电阻。在偏置电流的作用下，不断生成Joule热的一种效应。这种效应实际上帮助了超导纳米线阻态的形成，一定程度上有助于光子探测。Yang, J. K. W., A. J. Kerman, et al. (2007). Ieee Transactions on Applied Superconductivit

4、y 17(2): 581-5852ssmJHn e2ssd Jn eEdtmLondon方程2Lsmn eLondon 穿透深度610 cmLSNSPD薄膜厚度（3-4nm）Goltsman, G. N., O. Okunev, et al. (2001). Applied Physics Letters 79(6): 705.-10 -8-6-4-20246810-20-1001020current (uA)Voltage (V)SNSPDGoltsman, G., A. Korneev, et al. (2009). Journal of Modern Optics 56(15): 167

5、0-1680.10-210-110010110210310410510-810-710-610-510-410-310-210-1100 17A 18A 19A 20A 21A 22A 23APd (photons/pulse) 9A 10A 11A 12A 13A 14A 15A 16A量子效率（QE）检测概率（Pd）计数率（）暗计数（DCR）时间抖动（）STJ由一个三明治结构的超导-绝缘-超导薄膜组成此结构不仅允许单电子(正常电子)通过还允许超导电子对(库珀对)通过。这个隧道效应即所谓约瑟夫森效应。隧道电流密度J和直流电压V之间的关系：交流约瑟夫森效应00022=2sinsin()2sin

6、() ;sccsceeVVttejjjVtejjtVsin2cJJeVt太赫兹波的直接检波原理应用的是照射电磁波时STJ的I-V特性的改变当有辐射的时候，I-V曲线将改变，在能隙电压周围升起了类量子的台阶，间隙为hv/e。这是基于光子辅助隧道效应的超导检测器的独特现象。 HEB混频器是由NbN超导微桥构成，一般来说大小为1um*0.1um4um* 0.4um。NbN微桥的两端连到一个高电导率的天线上，这个天线是用来从空间接收THz电磁波并把信号通过连接块有效的耦合到超导微桥上的。当微波辐照在微桥上时，库珀对会被破坏，变成准粒子状态。对于超导体，在超导转变温度Tc附近，温度对阻抗的影响十分巨大。这个THz电磁波照在超导微桥上的热效应产生地NbN薄膜的阻抗变化是THz混频检测的核心。当本振信号LO和被测信号加到混频器上，NbN微桥吸收的功率会被调制，并满足关系: 2()cos(2)LOSLOSIFVVAAf tRSNSPD：周渝STJ和HEB：孙振龙材料整合及PPT：毛庆凯