Schnelle, auf dem elektronischen Nichtgleichgewicht in supraleitenden dünnen Schichten basierende Detektoren

Abstract

Auf dem elektronischen Nichtgleichgewicht basierende Detektoren sind wegen ihrer hohen Empfindlichkeit und Schnelligkeit bereits wichtiger Bestandteil vieler Anwendungen in Astronomie und Halbleiterindustrie. Die Weiterentwicklung derartiger Detektoren, die zusätzlich geringeres Rauschen und eine Energieauflösung aufweisen, ermöglicht eine Erweiterung des Anwendungsgebietes. Die von uns untersuchte Eigenschaft der supraleitenden nano-strukturierten Detektoren ist ein topologischer Übergang zweiter Ordnung, bei dem sich Paare magnetischer Wirbel (Flussschläuche) mit entgegengesetzter Polarität bilden. Wir zeigen, wie das Wirbelmedium zur Verbesserung des Detektionsvermögens der Sensoren genutzt werden kann. Durch induzierten Strom bewirkt das elektrische Feld einer elektromagnetischen Welle Oszillationen der Paare, die die bereits vorhandene, rein bolometrische Empfindlichkeit des Detektors vergrößern. Auch das Rauschen des Detektors lässt sich durch Beleuchtung ändern. Die Absorption eines Lichtquants schwächt die Supraleitung lokal, was eine erhöhte thermodynamische Zerstörrate der Paare an dieser Stelle zur Folge hat. Jedes zerstörte Paar fügt zur gesamten Rauschleistung des Detektors einen elektrischen Impuls hinzu. Dieser Effekt schafft die Grundlage für ein Rauschbolometer. Wir stellen Aufbau und Funktionsweise verschiedener Sensoren vor, die Wirbelpaare zur Lichtdetektion verwenden. Als Mischer betrieben weißt ein derartiger Sensor eine 20% erhöhte Bandbreite im Zwischenfrequenzbereich vor. Als Bolometer erreicht der Sensor eine durch den Hintergrund limitierte Empfindlichkeit von 10^-14W Hz^-1/2 und als Einzelphotonendetektor zeigt der Sensor eine nutzbare Energieauflösung von 0,55 eV im infraroten Bereich.