論文の概要: Origin of performance enhancement of superconducting nanowire single-photon detectors by He-ion irradiation

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2501.14965v1
• Date: Fri, 24 Jan 2025 22:55:14 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-01-28 13:54:00.966316
• Title: Origin of performance enhancement of superconducting nanowire single-photon detectors by He-ion irradiation
• Title（参考訳）: Heイオン照射による超伝導ナノワイヤ単光子検出器の性能向上の起源
• Authors: Stefan Strohauer, Fabian Wietschorke, Markus Döblinger, Christian Schmid, Stefanie Grotowski, Lucio Zugliani, Björn Jonas, Kai Müller, Jonathan J. Finley,
• Abstract要約: 超伝導NbTiN膜とSiO2/Si基板の変化がデバイス性能に与える影響について検討した。 その結果,照射による熱伝導率の低下はSNSPD感度を著しく高めることが示唆された。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.9674145073701153
• License:
• Abstract: Superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) are indispensable in fields such as quantum science and technology, astronomy, and biomedical imaging, where high detection efficiency, low dark count rates and high timing accuracy are required. Recently, helium (He) ion irradiation was shown to be a promising method to enhance SNSPD performance. Here, we study how changes in the underlying superconducting NbTiN film and the SiO2/Si substrate affect device performance. While irradiated and unirradiated NbTiN films show similar crystallinity, we observe He bubble formation below the SiO2/Si interface and an amorphization of the Si substrate. Both reduce the thermal conductance between the superconducting thin film and the substrate from 210 W/m^2/K^4 to 70 W/m^2/K^4 after irradiation with 2000 ions/nm^2. This effect, combined with the lateral straggle of He ions in the substrate, allows the modification of the superconductor-to-substrate thermal conductance of an SNSPD by selectively irradiating the regions around the nanowire. With this approach, we achieved an increased plateau width of saturating intrinsic detection efficiency of 9.8 uA compared to 3.7 uA after full irradiation. Moreover, the critical current remained similar to that of the unirradiated reference device (59 uA versus 60.1 uA), while full irradiation reduced it to 22.4 uA. Our results suggest that the irradiation-induced reduction of the thermal conductance significantly enhances SNSPD sensitivity, offering a novel approach to locally engineer substrate properties for improved detector performance.
• Abstract（参考訳）: 超伝導ナノワイヤ単光子検出器(SNSPD)は、量子科学や技術、天文学、バイオメディカルイメージングなどの分野で必須であり、高い検出効率、低い暗カウント率、高いタイミング精度が必要である。 近年,ヘリウム(He)イオン照射はSNSPD性能を高めるための有望な方法であることが明らかとなった。 本稿では,超伝導NbTiN膜とSiO2/Si基板の変化がデバイス性能に与える影響について検討する。 NbTiN薄膜は同様の結晶性を示すが,SiO2/Si界面下におけるHe気泡の形成とSi基板のアモルファス化が観察された。 超伝導薄膜と基板間の熱伝導度は2000イオン/nm^2照射後に210W/m^2/K^4から70W/m^2/K^4に低下する。 この効果は、基板内のHeイオンの側方ストラグルと組み合わせることで、ナノワイヤ周辺の領域を選択的に照射することにより、SNSPDの超伝導体と基板の熱伝導率を変化させることができる。 本手法により,全照射後の3.7 uAに対して9.8 uAの飽和内在性検出効率が向上した。 さらに、臨界電流は未照射の基準装置(59 uA 対 60.1 uA 対 60.1 uA)と似ているが、完全な照射では 22.4 uA まで低下した。 以上の結果から,照射誘起熱伝導率低下はSNSPD感度を著しく向上させることが示唆された。

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