Джозефсоновский контакт превратили в детектор одиночных фотонов

Физики изготовили светочувствительный контакт Джозефсона на основе графена, способный детектировать одиночные фотоны ближнего инфракрасного диапазона. Это происходит за счет связывания света с поверхностными плазмонами в контакте. Такая высокая светочувствительность может быть использована для высокоскоростной связи с низким потреблением энергии между компонентами архитектуры будущих сверхпроводящих компьютеров. Результаты опубликованы в виде статьи в Science и препринта.

Джозефсоновский контакт — это структура из двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика. Его особенность заключается в том, что через такой контакт могут туннелировать куперовские пары электронов, ответственные за перенос тока в сверхпроводнике. Этому механизму было найдено большое количество применений, начиная от высокочувствительной магнитометрии и заканчивая реализацией кубитов.

Кубиты на основе джозефсоновских контактов считаются одними из самых перспективных, однако их разработка столкнулась с тем, что ионизирующее излучение из окружающей среды приводит к распаду куперовских пар на квазичастицы и, как следствие, к разрушению когерентного состояния. Вместе с тем свойство куперовских пар распадаться под действием излучения можно использовать для его детектирования. Физики долгое время пытались повысить чувствительность детекторов света на основе контакта Джозефсона, но до недавних пор все попытки создать на его основе простой детектор одиночных фотонов с низким потреблением энергии были безуспешны.

В новой работе физики из США, Южной Кореи, Испании и Японии под руководством Кин Чунг Фонг (Kin Chung Fong) из Raytheon BBN Technologies продемонстрировали работу детектора одиночных фотонов ближнего ИК-диапазона на основе распада куперовских пар в джозефсоновском контакте. Для этого они использовали монослой графена, упакованный между слоями гексагонального нитрида бора, в качестве интерфейса между двумя сверхпроводящими контактами из нитрида ниобия. В сверхпроводящем контуре поддерживался ток смещения I_b, а вся система была охлаждена до 27 милликельвин.

До поглощения света джозефсоновский контакт находится в сверхпроводящем состоянии с нулевым падением напряжения на нем. Попавший на него фотон вызывает многочисленные процессы распада куперовских пар на квазичастицы, которые диффундируют по контакту, создавая шумовой ток. Этот ток переводит контакт из сверхпроводящего состояния в состояние с ненулевым сопротивлением, что сразу же фиксируется приложенным к нему вольтметром. После регистрации фотона система возвращается в начальное состояние.

Авторы проверили работу детектора, измеряя статистику падающего на контакт света. Они меняли интенсивность источника и собирали информацию об отсчетах, зарегистрированных в течение 10⁴ секунд. Для каждой из интенсивностей была построена гистограмма числа отсчетов, зафиксированных за секундное окно. Физики показали, что полученные гистограммы с высокой точностью демонстрируют пуассонову статистику, что свидетельствует об отсутствии корреляций в отсчетах, а значит и о том, что источник испускал классический (несжатый) свет. Опираясь на этот факт, авторы измеряли зависимость вероятности отсчета за 20 микросекунд от среднего числа фотонов, линейное поведение которой доказало, что фотоны падают на контакт преимущественно поодиночке.

Помимо этого, физики проверили зависимость работы детектора от других параметров, таких как температура, ток смещения, а также поляризация падающего света. Влияние последней было объяснено связью геометрии джозефсоновского контакта с возбуждением локализованных поверхностных плазмонов, которые ответственны за усиление взаимодействия всей структуры со светом. С помощью программного пакета High Frequency Structural Simulator авторы промоделировали этот процесс и выяснили, что сильнее всего фотоны поглощаются, когда вектор электрического поля параллелен краю контакта.

Авторы планируют в будущем улучшить эффективность однофотонного детектора за счет большего понимания механизмов поглощения фотона, а также за счет применения элементов нанофотоники. Кроме того, они надеются, что результаты их работы позволят эффективнее защищать джозефсоновские контакты при использовании их в квантовых компьютерах.

Ранее мы писали о том, как контакты Джозефсона помогают создавать искусственные синапсы и чувствительные магнитометры.

Марат Хамадеев