[發明專利]超導轉變邊緣熱傳感器

在審

• 申請號: 202011240055.1
• 申請日: 2020-11-09
• 公開（公告）號: CN112781736A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 迪米特里·埃費托夫;保羅·塞弗特;盧曉波;若澤·杜蘭;彼得·斯捷潘諾夫
• 申請（專利權）人: 光子科學研究所基金會
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 成都超凡明遠知識產權代理有限公司 51258
• 代理人: 王暉;吳莎

本發明涉及一種超導轉變邊緣熱傳感器，包括超導膜，該超導膜限定用于在其上入射量子的有效區，其中，所述超導膜由超導體制成，在所述超導體的臨界溫度T_c處該超導體展示出低于10¹³cm^?2的電荷載流子密度和低于10³k_b的電子熱容量，其中，超導體由彼此疊置的至少兩層二維晶體形成。

引起本申請的項目已接收到來自歐盟的地平線2020研究與創新計劃的資金，撥款協議號820378。

技術領域

本發明大體上涉及超導轉變(transition，躍遷)邊緣熱傳感器，并且更具體地涉及包括由表現出超低電子熱容量的超導體制成的超導膜的傳感器。

背景技術

如今，期望以高靈敏度檢測量子，且尤其是檢測單光子，且因此是在包括量子感測、量子密鑰分配、信息處理和射電天文學的許多研究領域中的關鍵促成技術。由于科學需要和技術可行性，將用于波長范圍從可見光到通信波長包括近紅外(nIR)的單光子檢測器(SPD)已經被開發出來并且甚至已經商業化。

現有技術的SPD技術依靠熱誘導破壞納米結構超導體(SC)中的超導態。在這里，超導轉變邊緣傳感器(TES)和超導納米線單光子檢測器(SNSPD)已經發展成為具有最高檢測效率和最低暗計數率的SPD。現有技術的SNSPD和TES迄今為止在可見光到近紅外(IR)波長中展現了具有最高靈敏度和最低暗計數率的最先進的SPD技術。

但是，盡管SNSPD和TES兩者在可見光到近紅外(IR)波長中均以高效率運行，但卻無法使用現有技術中已知的檢測器來高效地執行中IR和太赫茲(THz)波長中的低能光子的檢測，并且迄今為止，這樣的檢測器仍未被開發出來是眾所周知的。換言之，對于SNSPD和TES，將單光子的寬頻帶檢測從nIR擴展到紅外或者甚至擴展到太赫茲(THz)是有待證明的。單光子檢測器在這些波長處的性能當前受到所使用的SC薄膜的材料性能的限制，該SC薄膜無序、龐大且具有高電子熱容量。

具體地，相對于TES，這些類型的傳感器利用超導轉變邊緣處的依賴于溫度的電阻的陡度，這使得通過吸收的光量子來加熱電子時能夠發生可檢測的電壓脈沖。因為所吸收的光子的能量被轉移到整個電子集合，通過所使用的量熱材料的熱容量確定TES的性能。當前，這將TES的SPD運行限制為波長低于8μm、溫度低于100mK以及檢測時間高于10μs。用以降低熱容量的策略已經使得有針對性地開發更薄的納米結構SC薄膜和使用低載流子密度的SC，從而使吸收的熱在較少的電子之間共享。但是，傳統的材料制作方法已經給這些發展設定了限制。SC薄膜是高度無序的、多晶的，并且具有超過幾納米的厚度，因為SC薄膜是通過濺射和蝕刻由高電子密度的SC獲得的。

因此，有必要提供現有技術的替代方案，其通過提供TES特別是超導轉變邊緣熱傳感器來覆蓋其中所發現的缺漏，該替代方案不具有上述提到的與本領域中已知的那些缺陷相關聯的缺陷，并且顯著地突破上述提到的運行波長、溫度和檢測時間中的限制。

發明內容

為此，本發明涉及一種超導轉變邊緣熱傳感器，包括限定用于在其上入射量子的有效(active，起作用、活躍、有源)區的超導膜。

與現有技術中已知的超導轉變邊緣熱傳感器相反，在本發明之一中，以特征的方式，超導膜由超導體制成，在所述超導體的臨界溫度T_c處超導體表現出低于10¹³cm^-2的載流子密度以及低于10³k_b的電子熱容量，其中該超導體由彼此疊置的至少兩層二維晶體形成。

本發明人已經對許多超導材料和布置進行了測試并進行了詳細的數學計算(其中一些將在下面的本文件中闡述)，以找出哪些滿足上述要求，從而根據適當布置制造具有適當超導材料的上述至少兩層。