論文の概要: Impact of helium ion irradiation on the thermal properties of superconducting nanowire single-photon detectors

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.02405v1
• Date: Thu, 03 Apr 2025 08:54:30 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-04-04 19:36:40.119891
• Title: Impact of helium ion irradiation on the thermal properties of superconducting nanowire single-photon detectors
• Title（参考訳）: 超伝導ナノワイヤ単光子検出器の熱特性に及ぼすヘリウムイオン照射の影響
• Authors: Yi-Yu Hong, Yu-Ze Wang, Wei-Jun Zhang, Jia-Hao Hu, Jia-Min Xiong, Dong-Wei Chu, Xin Ou, Wen-Tao Wu, Xiao-Fu Zhang, Hui-Qin Yu, Pu-Sheng Yuan, Hao Li, Ling Wu, Zhen Wang, Li-Xing You,
• Abstract要約: NbN SNSPDの熱特性に及ぼすHeイオン照射の影響について検討した。 本研究は,SNSPDのポストプロセッシング技術として,イオン照射の意義について考察した。 この研究はまた、超伝導薄膜におけるSNSPD物理と欠陥工学の理解を深めている。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 11.302288826879803
• License:
• Abstract: SNSPDs are indispensable for applications ranging from quantum information processing to deep-space optical communications, owing to their high detection efficiency, low dark counts, and excellent timing resolution. However, further improving the intrinsic detection efficiency (IDE) remains crucial for optimizing SNSPD performance. Ion irradiation has recently emerged as a powerful post-fabrication method to enhance SNSPD characteristics. Here, the effects of He-ion irradiation on the thermal properties of NbN SNSPDs. We systematically examine the evolution of thermal boundary conductance as a function of ion fluence (0-1.1E17 ions/cm2), observing a 57% decrease from 127 to 54 W/m^2K^4 with increasing fluence, followed by saturation at approximately 9E16 ions/cm2. At this fluence, the minimum hotspot relaxation time measurements indicate a 41% increase, rising from 17 to 24 ps, while the electron-phonon interaction time extends by 14%, from 11.2 to 12.8 ps at 10 K. TEM reveals defect formation at the NbN/SiO2 interface (6-8 nm) and He-bubble formation within the SiO2 layer (30-260 nm), contributing to the extended thermal relaxation time. These irradiation-induced modifications play a key role in enhancing the IDE of the treated devices. Furthermore, we demonstrate an irradiated NbN SNSPD exhibiting a well-defined saturated IDE plateau at 2000 nm from 2.7 K to 28 mK, enabled by irradiation-induced modifications and an avalanche-assisted detection mechanism with weak wavelength dependence. Our findings provide valuable insights into ion irradiation as a post-processing technique for SNSPDs, offering a pathway to enhancing IDE and tailoring thermal properties. This work also advances the understanding of SNSPD physics and defect engineering in superconducting thin films, expanding the potential applications of irradiation techniques in superconducting optoelectronics.
• Abstract（参考訳）: SNSPDは、量子情報処理から深宇宙光通信まで、高い検出効率、低い暗カウント、優れたタイミング分解能のために、アプリケーションには不可欠である。 しかし,SNSPD性能の最適化には,本質的な検出効率(IDE)の向上が不可欠である。 近年, SNSPD特性を高めるために, イオン照射が強力なポストファブリケーション法として登場した。 NbN SNSPDの熱特性に及ぼすHeイオン照射の影響 イオンフルエンス (0-1.1E17 ion/cm2) の関数として熱境界コンダクタンスの進化を系統的に検討し, 約9E16 ion/cm2 で飽和し, 57% を 127 から 54 W/m^2K^4 に減少させた。 TEMではNbN/SiO2界面(6-8nm)における欠陥形成とSiO2層(30-260nm)内のHe-気泡形成が示され、熱緩和時間に寄与する。 これらの放射線による修飾は、治療装置のIDEを強化する上で重要な役割を担っている。 さらに,2.7Kから28mKまでの2000nmの飽和IDEプラトーを照射したNbN SNSPDを,照射誘起修飾と弱い波長依存性のアバランシェアシスト検出機構により実現した。 本研究は, SNSPDのポストプロセッシング技術としてのイオン照射に関する貴重な知見を提供し, IDE の増強と熱特性の調整のための経路を提供する。 この研究は、超伝導薄膜におけるSNSPD物理と欠陥工学の理解を深め、超伝導光エレクトロニクスにおける照射技術の潜在的な応用を拡大する。

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