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Rivelatori a nanowires superconduttivi di singolo fotone

Rivelatori di fotoni singoli ad alta velocità di conteggio trovano applicazioni in svariati campi che vanno dalle telecomunicazioni in fibra ottica, all' informazione quantistica, dalla spettroscopia di fenomeni ultraveloci in biologia e fisica dello stato solido, al controllo di processo nella produzione di circuiti semiconduttori. Di particolare interesse sarebbe un rivelatore che avesse sia un alta velocità di conteggio ≥ GHz sia un'alta efficienza di fotone singolo alle lunghezze d'onda del vicino infrarosso (1550 nm). Una tale combinazione non è disponibile con la tecnologia corrente. Fotodiodi a cascata di InGaAs sono limitati da lunghi tempi di reset ad una velocità di conteggio molto più bassa e i fotomoltiplicatori a cascata hanno bassa efficienza a queste lunghezze d'onda.
Una promettente tecnologia è recentemente apparsa: sono i Superconducting Nanowires Single Photon Detectors (SNSPDs). Questi dispositivi sono al centro di una intensissima attività di ricerca nella comunità internazionale. In Italia l'impegno in tale direzione è portato avanti attraverso la partecipazione al progetto Europeo SINPHONIA del CNR con l'Istituto di Cibernetica di Pozzuoli (ICIB) e l'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie di Roma (IFN) ed i Pirelli Labs di Milano.
Gli SNSPDs sono "nanowires", ossia sono film ultrasottili tipicamente di spessore di qualche nanometro, con linee lunghe 0.5mm e larghe circa 100 nm a forma di meandri. Variazioni anche minime in spessore o larghezza possono avere conseguenze molto negative sulle caratteristiche di funzionamento, il che significa che si sta lavorando al limite dello stato dell'arte nella tecnologia dei nanomateriali. Attualmente il materiale di elezione per SNSPD è il nitruro di niobio (NbN) sia per la sua alta temperatura critica (Tc=16K) che per il piccolo tempo caratteristico elettrone-fonone (12ps) che è responsabile della velocità del rivelatore.
In molte delle applicazioni sopracitate un requisito importante è la grande copertura d'area. Ciò si realizza normalmente usando lunghi nanofili a forma di meandro che, quindi, hanno una induttanza molto grande a causa dell'induttanza cinetica che nei film superconduttori è proporzionale alla loro lunghezza. Il grande valore dell'induttanza cinetica ha per effetto un allungamento del tempo di reset e una riduzione della massima velocità di conteggio. Inoltre, la piccola sezione del film limita la corrente critica superconduttiva e perciò l'ampiezza dell'impulso della tensione di risposta che è di circa 0.5 mV. Questo produce un basso rapporto segnale/rumore che rende impossibile operazioni affidabili ad alte velocità di conteggio.
ICIB in collaborazione con l'Università di Salerno ha sviluppato una nuova configurazione di SNSPD che attraverso un meccanismo interno a cascata di commutazione dei nanofili, riduce l'induttanza e aumenta l'ampiezza del segnale pur mantenendo una buona sensibilità e velocità di conteggi di buio. I benefici sono stati ottenuti riorganizzando i nanofili in serie del meandro in una configurazione di nanofili paralleli. Film di pochi nanometri di spessore e di buona qualità superconduttiva sono stati depositati all'ICIB, il nanopatterning è stato eseguito presso la EBL Facility dell'IFN di Roma e gli esperimenti di foto risposta sono stati condotti presso l'ICIB e l'Università di Salerno. Con un dispositivo a 24 fili paralleli è stato ottenuto un segnale di ampiezza circa 24 volte maggiore di quello di un meandro con lo stesso numero di fili, migliorando decisamente il rapporto segnale/rumore. In un dispositivo a 5 fili paralleli è stata osservata una durata dell'impulso di soli 500 ps con un rise time di 80 ps, circa uguale a quello intrinseco del NbN che è ≤ 60 ps.
La configurazione a nanofili paralleli apre nuove prospettive applicative a questa classe di rivelatori poiché in tal modo è possibile realizzare grandi coperture d'area senza aumentare il valore dell'induttanza cinetica e perciò senza degradare la risposta veloce. I prossimi esperimenti sotto radiazione ad alta intensità di fotoni diranno se tali promesse saranno completamente confermate.

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