Schnelle SQUID-basierte Ausleseelektronik für Nanostrukturierte Einzelphotonenzähler

Abstract

Wir berichten über die Eigenschaften von rauscharmen, an der PTB entwickelten SQUID-Stromsensoren sowie deren Anwendung für die Auslesung von nanostrukturierten Hot-Spot-Detektoren. Die hierfür verwendeten SQUID-Arrays zeichnen sich durch Robustheit und einfache Handhabung bei gleichzeitig sehr günstigen Rauscheigenschaften aus. Die SQUID-Arrays, die aus 16 bzw. 25 einzelnen, in Reihe geschalteten SQUIDs bestehen, haben niedrige Eingangsinduktivitäten von etwa 3 nH und besitzen typische Stromrauschwerte von 8 pA Hz^-1/2 bei 4,2 K sowie 5 pA Hz^-1/2 bei 100 mK. Sie können im Erdmagnetfeld ohne Abschirmung abgekühlt und betrieben werden: Eine Degradierung der V(_)-Kennlinie durch Dephasierung der Einzel-SQUID-Beiträge tritt nicht auf. Das kompakte gradiometrische Design erlaubt darüber hinaus die Montage der Sensor-Chips direkt auf dem Kupferträger in unmittelbarer Nähe zum Detektor, ohne dass das Rauschen zunimmt. Erste Messungen am Detektor mit SQUID-Auslesung wurden bei 5 K unter der Verwendung der kommerziell erhältlichen DC-SQUID-Elektronik Magnicon XXF-1 durchgeführt. Einzelne vom Detektor absorbierte Photonen im sichtbaren bzw. nahen infraroten Spektralbereich erzeugen am Ausgang der SQUID-Elektronik Spannungspulse von einigen 10 mV. Deren minimale Dauer wird dabei durch die Bandbreite der SQUID-Elektronik begrenzt. In geschlossener Regelschleife (FFL-Mode) haben die Spannungspulse eine mittlere Dauer (FWHM) von 35 ns bei einer Anstiegszeit von 16 ns. Im Kleinsignalbetrieb (Amp-Mode) sinkt die Anstiegszeit auf etwa 8 ns. Die Amplitude der Spannungspulse hängt von der Energie der Photonen ab, sodass der Detektor auch eine spektrale Auflösung besitzt. Die Messung mit SQUID-Vorverstärker bei 5 K lieferte einen Wert von ungefähr 1.