[发明专利]超导转变边缘热传感器

说明书

本发明涉及一种超导转变边缘热传感器，包括超导膜，该超导膜限定用于在其上入射量子的有效区，其中，所述超导膜由超导体制成，在所述超导体的临界温度T_c处该超导体展示出低于10¹³cm^‑2的电荷载流子密度和低于10³k_b的电子热容量，其中，超导体由彼此叠置的至少两层二维晶体形成。

引起本申请的项目已接收到来自欧盟的地平线2020研究与创新计划的资金，拨款协议号820378。

技术领域

本发明大体上涉及超导转变(transition，跃迁)边缘热传感器，并且更具体地涉及包括由表现出超低电子热容量的超导体制成的超导膜的传感器。

背景技术

如今，期望以高灵敏度检测量子，且尤其是检测单光子，且因此是在包括量子感测、量子密钥分配、信息处理和射电天文学的许多研究领域中的关键促成技术。由于科学需要和技术可行性，将用于波长范围从可见光到通信波长包括近红外(nIR)的单光子检测器(SPD)已经被开发出来并且甚至已经商业化。

现有技术的SPD技术依靠热诱导破坏纳米结构超导体(SC)中的超导态。在这里，超导转变边缘传感器(TES)和超导纳米线单光子检测器(SNSPD)已经发展成为具有最高检测效率和最低暗计数率的SPD。现有技术的SNSPD和TES迄今为止在可见光到近红外(IR)波长中展现了具有最高灵敏度和最低暗计数率的最先进的SPD技术。

但是，尽管SNSPD和TES两者在可见光到近红外(IR)波长中均以高效率运行，但却无法使用现有技术中已知的检测器来高效地执行中IR和太赫兹(THz)波长中的低能光子的检测，并且迄今为止，这样的检测器仍未被开发出来是众所周知的。换言之，对于SNSPD和TES，将单光子的宽频带检测从nIR扩展到红外或者甚至扩展到太赫兹(THz)是有待证明的。单光子检测器在这些波长处的性能当前受到所使用的SC薄膜的材料性能的限制，该SC薄膜无序、庞大且具有高电子热容量。

具体地，相对于TES，这些类型的传感器利用超导转变边缘处的依赖于温度的电阻的陡度，这使得通过吸收的光量子来加热电子时能够发生可检测的电压脉冲。因为所吸收的光子的能量被转移到整个电子集合，通过所使用的量热材料的热容量确定TES的性能。当前，这将TES的SPD运行限制为波长低于8μm、温度低于100mK以及检测时间高于10μs。用以降低热容量的策略已经使得有针对性地开发更薄的纳米结构SC薄膜和使用低载流子密度的SC，从而使吸收的热在较少的电子之间共享。但是，传统的材料制作方法已经给这些发展设定了限制。SC薄膜是高度无序的、多晶的，并且具有超过几纳米的厚度，因为SC薄膜是通过溅射和蚀刻由高电子密度的SC获得的。

因此，有必要提供现有技术的替代方案，其通过提供TES特别是超导转变边缘热传感器来覆盖其中所发现的缺漏，该替代方案不具有上述提到的与本领域中已知的那些缺陷相关联的缺陷，并且显著地突破上述提到的运行波长、温度和检测时间中的限制。

发明内容

为此，本发明涉及一种超导转变边缘热传感器，包括限定用于在其上入射量子的有效(active，起作用、活跃、有源)区的超导膜。

与现有技术中已知的超导转变边缘热传感器相反，在本发明之一中，以特征的方式，超导膜由超导体制成，在所述超导体的临界温度T_c处超导体表现出低于10¹³cm^-2的载流子密度以及低于10³k_b的电子热容量，其中该超导体由彼此叠置的至少两层二维晶体形成。

本发明人已经对许多超导材料和布置进行了测试并进行了详细的数学计算(其中一些将在下面的本文件中阐述)，以找出哪些满足上述要求，从而根据适当布置制造具有适当超导材料的上述至少两层。