Il niobio per pc e comunicazioni quantistiche

Gli SSPD sono costituiti da un singolo nanofilo di larghezza 100 nm e spesso tra i 4 e i 5 nm, per migliorare l’accoppiamento del dispositivo con la radiazione elettromagnetica incidente il nanofilo è disposto con una particolare geometria a meandro,

con un’area totale di circa 80-100. Il sistema opera a temperature inferiori alla temperatura critica e sono polarizzati con una corrente Ib, di poco inferiore alla corrente critica di stripe IC caratteristica del materiale. Definiamo, per semplificare, la IC come la corrente massima caratteristica del materiale che può essere trasportata dal dispositivo SSPD pur rimanendo allo stato superconduttivo.

 

Come funziona un rilevatore di singolo fotone

È possibile descrivere e illustrare il ciclo di rilevamento di un fotone e la formazione dell’hot spot. L’SSPD è mantenuto al di sotto della temperatura critica e vi è applicata una bias (Ib)tale per cui la corrente di bias Ib risulti appena inferiore alla corrente critica Ic (i).

Quando un fotone viene assorbito dall’SSPD si crea un hot spot resistivo (ii). La supercorrente (Ib) è dunque forzata a fluire intorno alla periferia dell’hot spot, ma dato che la stripe in NbN è molto stretta, la densità di corrente locale intorno all’hot spot aumenta notevolmente, superando il valore della supercorrente critica Ic (iii). Questo meccanismo comporta la formazione e crescita di una zona resistiva che funge da barriera (zona rossa) lungo la larghezza della stripe (iv). Il riscaldamento Joule che si verifica a seguito della formazione dello stato resistivo incrementa la crescita della regione resistiva lungo l’asse della stripe (v), finché il flusso di supercorrente (Ib) non viene bloccato completamente.

niobio

L’assorbimento di un fotone “eccita” il NbN e comporta dunque una corrente, deviata su di un circuito esterno che presenza una resistenza di carico: questo consente alla regione resistiva di attenuarsi ed al filo di ritornare nuovamente e completamente allo stato di superconduttore (vi). A questo punto la corrente di polarizzazione attraverso il nanofilo torna al suo valore originale. La resistenza di carico del circuito esterno risulta fondamentale per rilevare l’impulso di tensione che si osserva a seguito dell’assorbimento di un singolo fotone.

Altre applicazioni oltre la crittografia quantistica

Data l’elevata sensibilità di tali sistemi e la possibilità di rilevare singoli fotoni grazie alle proprietà del NbN, risulta dunque di grande interesse per le applicazioni di comunicazioni quantiche per la crittografia di comunicazioni quantistiche, di fotonica, ma anche per applicazioni nel dominio della riflettometria ottica e laser, oltre che per applicazioni in astrofisica, in quanto rivelatori a singolo fotone possono migliorare drasticamente le prestazioni dei telescopi in orbita fornendo informazioni dettagliate sull’energia di fotoni provenienti da fonti molto deboli. Ad oggi il niobio e il NbN è stato utilizzato nel progetto Gravity Probe B della NASA, che ha misurato per la prima volta gli effetti previsti dalla teoria della relatività generale di Einstein.

A cura di Ciro Formicola

 

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Author: Chimicamo

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