《超导电子学》课件：超导应用 szl

超导应用成员：周渝孙振龙毛庆凯超导纳米线单光子探测器（SNSPD）超导太赫兹探测器目录直接检测

STJ混频检测HEB超导应用之SNSPD几种探测器的比较探测器类型暗计数/Hz最大计数率/Hz时间抖动工作温度/KPNR近红外PMT1%/1550nm200K10M300ps200K有InGaAs

APD10%/1550nm16K100M55ps240K有TES95%/1550nm3100K100ns0.1K有SNSPD3.5%/1550nm100100M60ps2.4K无SNSPD结构Goltsman,G.,A.Korneev,etal.(2009).JournalofModernOptics56(15):1670-1680.Why？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BCS能隙公式著名的BCS关于Tc的公式T=0K时，能隙氮化铌(NiobiumNitride,NbN)薄膜,其Tc=17K，0K时能隙为5.15meV。对应单个光子的波长为240μm。随着温度接近Tc，能隙逐步降低，直至为0超导态和正常态电阻的变化结构——蜿蜒纳米线几十纳米宽度的超导线条事实上是有助于提高器件的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唯像探测机理Gol’tsman,G.N.,O.Okunev,etal.(2001).AppliedPhysicsLetters79(6):705.Self-heating效应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,etal.(2007).IeeeTransactionsonAppliedSuperconductivity17(2):581-585SNSPD中电流近似均匀分布London方程London穿透深度SNSPD薄膜厚度（3-4nm）等效电路模型直流特性Gol’tsman,G.N.,O.Okunev,etal.(2001).AppliedPhysicsLetters79(6):705.SNSPD光响应Goltsman,G.,A.Korneev,etal.(2009).JournalofModernOptics56(15):1670-1680.不同光强，偏置下的响应（1550nm）几个表征参数量子效率（QE）检测概率（Pd）计数率（ＣＲ）暗计数（DCR）时间抖动（ＴＪ）超导应用之THz探测器超导隧道结（STJ）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：交流约瑟夫森效应约瑟夫森效应STJ太赫兹探测原理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。热电子热辐射计（HEB）

HEB混频器是由NbN超导微桥构成，一般来说大小为1um*0.1um~4um*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。HEB太赫兹探测原理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