Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4570
Main Title: Einfluss von Geometrie und magnetischem Feld auf die Effizienz supraleitender Nanodraht-Einzelphotonendetektoren
Translated Title: Effect of the wire width and magnetic field on the detection efficiency of superconducting nanowire single-photon detectors
Author(s): Lusche, Robert
Advisor(s): Hübers, Heinz-Wilhelm
Semenov, Alexey
Referee(s): Hübers, Heinz-Wilhelm
Meyer, Hans-Georg
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In dieser Arbeit werden supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (engl. superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs)) mit dem Ziel untersucht, das Verständnis des Einzelphotonendetektionsmechanismus zu vertiefen. Eine umfassendere Kenntnis der genauen physikalischen Abläufe im Detektionsprozess ermöglicht die gezielte Verbesserung von Parametern, die für Anwendungen relevant sind, wie beispielsweise die intrinsische Detektionseffizienz (IDE). Um neue Erkenntnisse zu erlangen, wurden Photonen- und Dunkelzählraten von mäanderförmigen SNSPDs aus den Materialien TaN und NbN bei verschiedenen Wellenlängen und Transportströmen gemessen und mit theoretischen Modellen des Detektionsmechanismus verglichen. Im ersten Teil der Arbeit wurden die Zählraten von SNSPDs mit unterschiedlichen Streifenbreiten gemessen und daraus spektrale intrinsische Detektionseffizienzen bestimmt. Diese bezeichnen die Wahrscheinlichkeit des SNSPDs einen messbaren Spannungspuls nach Absorption eines Photons auszulösen. Die IDE-Spektren zeigten eine charakteristische Grenzwellenlänge λC bis zu der Photonen mit einer etwa hundertprozentigen Wahrscheinlichkeit detektiert werden. Es wurde herausgefunden, dass die Grenzwellenlänge mit zunehmender inverser Streifenbreite linear zunahm, was quantitativ am besten durch das erweiterte Hot-Spot Modell beschrieben wurde. Um das Verständnis des Detektionsmechanismus weiter zu vertiefen, wurden im zweiten Teil der Arbeit Messungen der Photonen- und Dunkelzählraten in Abhängigkeit vom Magnetfeld mit Flussdichten bis zu 250 mT durchgeführt. Dazu wurde in einem ersten Schritt ein variabler Temperatureinsatz (Verdampferkryostat) für mobile 4He Dewargefäße aufgebaut. Mit Hilfe dieses Aufbaus konnte erstmals gezeigt werden, dass die Photonenzählrate von NbN-Mäandern eine Magnetfeldabhängigkeit aufweist. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Feldabhängigkeit der Photonen- und der Dunkelzählraten sehr gut durch das quasistatische Vortexmodell beschrieben werden kann. Somit konnte die in dem Modell aufgestellte Behauptung, dass Vortices am Photonendetektionsprozess beteiligt sind, innerhalb dieser Arbeit bestätigt werden. Weiterhin wurde aus dem Vergleich der experimentellen, magnetfeldabhängigen Photonen- und Dunkelzählraten mit dem Modell geschlussfolgert, dass Dunkelereignisse hauptsächlich aus dem Bereich der Windungen stammen, während Photonenereignisse aus den Windungen und den geraden Teilstücken des Streifens stammen können. Der Beitrag der Photonenereignisse aus den graden Teilen ist entweder bei großen Strömen oder bei großen Photonenenergien dominant.
The aim of this thesis is to a gain deeper understanding of the single photon detection process in superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs). A detailed knowledge of the physical principles and mechanisms which the detection process is based on helps to improve specific detector parameters and hence the suitability of such detectors for various applications. Several theoretical models of the detection process have been compared to the results of measurements of photon and dark count rates in meander-type TaN- and NbN-SNSPDs with different wire-widths in a broad range of wavelengths, transport currents and magnetic fields . In the first part of the thesis, measurements of the photon and dark count rates of TaN- and NbN-SNSPDs with varying wire width are described. For each meander spectra of the intrinsic detection efficiency (IDE) were derived. The IDE represents the probability that the SNSPD generates a measurable voltage pulse upon absorption of a photon. The recorded IDE spectra have shown a characteristic cut-off wavelength up to which photons were detected with a probability of 100 per cent. Furthermore it was found that the cut-off wavelengths increases linearly with the increase in the inverse wire width. This observation is best explained by the refined hot spot model. The second part of the thesis describes the influence of magnetic field on the photon and dark count rates of NbN-SNSPDs. In order to apply magnetic fields to the meanders a continuous-flow inset for mobile 4He storage dewars was constructed. It was shown for the first time, that the photon count rate exhibits a magnetic field dependence. Furthermore it could be shown that the measured dependence of the photon and dark count rate on the magnetic field is in good agreement with the theoretical model of vortex-assisted photon detection in narrow superconducting lines. Hence, within this thesis it could be confirmed that magnetic vortices are involved in the single photon detection mechanism for wavelengths larger than the cut-off wavelength. Quantitative comparison of this model with the experimentally derived dependencies of photon and dark count rates on the magnetic field have shown that dark counts predominantly occur in the bends while photon counts may occur in both bends and straight portions of the meander. The straight portions contribute to the photon count rate either at large applied currents or at large photon energies.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-69058
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4867
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4570
Exam Date: 24-Jun-2015
Issue Date: 24-Jul-2015
Date Available: 24-Jul-2015
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Detektionseffizienz
Einzelphotonendetektor
Nanodraht
Nanowire
Supraleitende Detektoren
Detection efficiency
Single photon detector
Superconducting detectors
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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