Широкополосный микроволновый сверхпроводниковый детектор малой мощности

Полезная модель относится к устройствам регистрации ультраслабых потоков фотонов микроволнового диапазона длин волн в системах интегральной квантовой оптики.
Однофотонные детекторы
По результатам патентного поиска, проводимого по ключевым словам и рубрикам МПК по странам: США, Россия, Китай, Япония, Европейское Сообщество на Web-сайтах стран поиска и патентного фонда Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, найдены следующие патенты.
1. Патент US 20220057261 (опубликован 19.12.2018, G01J-001/44) «Устройство и метод обнаружения отдельных микроволновых фотонов» предлагает использование двухуровневой квантовой системы. Попадание фотона в такую систему будет переводить ее в возбужденное состояние, что предлагается отслеживать.
Несмотря на то, что двухуровневая квантовая система способна различать слабые потоки фотонов, по принципиальным причинам она не может быть использована для регистрации фотонов в широком диапазоне микроволновых длин волн.
2. Патент US 10210460 (опубликован 11.10.2016, GO6N 99/002) «Высокоточное пороговое обнаружение одиночных микроволновых фотонов с использованием квантового неразрушающего фотонного детектора». Детектирующая система построена вокруг детектора одиночных микроволновых фотонов, в реализации детектора используется Джозефсоновский контакт, четвертьволновые и полуволновые резонаторы.
Несмотря на то, что описанный детектор может работать в однофотонном режиме, по принципиальным причинам он не может быть использован для регистрации фотонов в широком диапазоне микроволновых длин волн.
3. Патент CN 107091687 B (опубликован 08.08.2018, G01J-011/00) «Микроволновый однофотонный детектор, способ обнаружения и способ его получения». Изобретение описывает сверхпроводящую микросхему, в которой в плечи разветвителя мощности интегрированы по Джозефсоновскому контакту. Предлагается сравнивать статистику по многократным низкочастотным измерениям Джозефсоновских контактов.
Несмотря на то, что описанный детектор способен работать в однофотонном режиме, его характеристики существенно ограничены по принципиальным причинам.
4. Патент US 7049593 (опубликован 28.07.2000, G01J-001/02) «Сверхпроводящий однофотонный детектор» предлагает использование сверхпроводящей полоски, смещенной вблизи ее критического тока. При регистрации фотона видимого или инфракрасного диапазона длин волн происходит перегрев сверхпроводящей полоски, регистрируемый электроникой.
Изобретение работает в другом частотном диапазоне и не чувствительно к микроволновому сигналу.
5. Патент JP 2010109697 (опубликован 30.10.2008, G01J-001/02) «Детектор микроволновых фотонов и способ детектирования» предлагает использование двухуровневой квантовой системы. Как только двухуровневая система возбуждается вследствие падения микроволнового фотона, отклик резонатора на считывание имеет непрерывные изменения, которые детектируются электроникой.
Несмотря на то, что двухуровневая квантовая система способна работать в однофотонном режиме, по принципиальным причинам она может детектировать фотоны в узком частотном диапазоне, т.е. система не может быть использована для регистрации фотонов в широком диапазоне микроволновых длин волн.
6. Наиболее близкий аналог описан в патенте US 9255839 (20.09.2010, G01J-001/44) «Детектор одиночных микроволновых фотонов, распространяющихся в волноводе». Изобретение описывает систему, состоящую из сверхпроводящего волновода и мостика из нормального металла, согласованного импедансом с волноводом и закорачивающего его на металлизированное окружение. Вместо нормального металла в качестве материала для мостика могут быть использованы полупроводниковая нанопроволока, графеновый лист или углеродная нанотрубка. При попадании микроволнового фотона в такую систему, он будет поглощен металлическим мостиком, что приведет к микроскопическому увеличению температуры в материале, это изменение температуры предлагается отслеживать. Детектор работает при температуре ниже критической температуры сверхпроводящего волновода.
Основным недостатком ближайшего аналога изобретения является то, что, благодаря используемой в изобретении топологии, детектор обладает высокой скоростью темнового счета. Высокая скорость темнового счета появляется в результате собственных шумов детектора - ложные срабатывания, которые объясняются самим принципом работы детектора. Вторым недостатком является меньшая рабочая полоса частот: выше 10 ГГц.
На фиг.1 представлен широкополосный микроволновый сверхпроводниковый детектор малой мощности. В устройстве использована подложка кремния (1). На ней расположены алюминиевые контактная площадка с волноводом (2) и металлизированное окружение (3), титан (4) - платиновый (5) мостик закорачивает волновод на металлизированное окружение. Вместо титана может использоваться другой сверхпроводник с малой сверхпроводящей щелью, вместо платины - благородный метал. Для съема электрического сигнала служит контактная площадка (2).
Для понимания принципа работы устройства, на фиг.2 показан его вид сверху. Микроволновое излучение и тестирующий сигнал подаются в волновод (2) и достигают титан (4) - платинового (5) мостика в связи с согласованностью импеданса мостика и волновода. Микроволновое излучение разрушает счетное количество куперовских пар на мостике, вследствие чего изменяется кинетическая индуктивность мостика, что отражается в изменении его импеданса, такое изменение импеданса измеряется с помощью отраженного от мостика тестирующего сигнала, имеющего частоту ниже щели титан-платинового мостика.
Поперечный разрез структуры (А-А) показан на фиг.3. Для удобства на всех фигурах одинаковые цифры показывают одинаковые элементы.
Техническим результатом представленной полезной модели, позволяющим значительно повысить характеристики детектора, являются:
увеличение эффективности детектирования;
улучшения отношение сигнал/шум.