基于超薄MgB2超导薄膜的超导纳米线单光子探测器的初步研究

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本文主要介绍了在研制基于MgB2的超导纳米线单光子探测器(Superconducting Nanowire Single-Photon Detector, SNSPD)方面所取得的一些初步研究结果,具体包括超薄MgB2薄膜的制备、超导特性及贮存过程中的退化问题研究,超薄MgB2薄膜的纳米线刻蚀,及SNSPD探测系统的搭建等几个方面的内容。超导纳米线单光子探测是一种新型单光子探测技术,具有计数率高、暗记数低等优点,在量子信息等很多领域有重要应用前景,正受到人们越来越多的关注。目前的SNSPD器件主要由低温超导体如NbN制备而成,工作温度偏低(一般在1.5-4 K),运行时需使用液氦或多级低温制冷机,成本较高。MgB2的超导临界温度Tc高达39 K,利用它来制备SNSPD器件有望显著提高器件的工作温度,对进一步推动超导单光子探测技术的发展和实际应用有切实的意义。  本研究主要内容包括:⑴利用混合物理化学气相沉积法(HPCVD),在MgO等衬底上制备了厚度在10nm左右的超薄MgB2薄膜,薄膜的超导性能为目前国际上的领先水平,如Tc在34K以上,2K下的超导临界电流密度Jc达7.7×107 A/cm2。⑵分析了MgB2薄膜的Tc、Jc等超导特性随薄膜厚度的变化。研究了超导邻近效应、无序效应等对超薄MgB2薄膜的Tc的影响,解释了目前国际上各个研究小组所制备的MgB2薄膜的Tc之间存在差异的原因。⑶针对MgB2薄膜器件在实际使用中的稳定性和退化问题,测量了超薄MgB2薄膜在不同环境条件下的超导特性随时间的变化情况。发现10nm厚的MgB2薄膜在空气中保存1个月左右时间超导性能没有发生太大变化;当继续增加时间时,接触空气或保存在一般干燥器中的薄膜会出现不同程度的比较明显的退化,但保存在真空环境下的薄膜的性能在4个月左右时间时仍比较稳定。这一对比结果表明MgB2薄膜的退化可能主要来源于空气中的水蒸气及氧气的影响。⑷研究、开发了超薄MgB2薄膜的微纳米刻蚀工艺,制备了宽度在10μm至200 nm之间的MgB2超导微桥和纳米线。设计、搭建了SNSPD探测系统的一些主要部件,包括样品杆、样品座、检测电路与光路之间的连接等,为整个探测系统的搭建奠定了良好的基础。
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