Новое поколение квантовых детекторов и источников одиночных фотонов на основе двумерных Ван-дер-Ваальс структур

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-72-10117

НазваниеНовое поколение квантовых детекторов и источников одиночных фотонов на основе двумерных Ван-дер-Ваальс структур

Руководитель Колбатова Анна Игоревна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский педагогический государственный университет" , г Москва

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова двумерные наноматериалы, детекторы одиночных фотонов, однофотонные источники, сверхпроводимость, нано полоски, Ван-дер-Ваальса структуры, оптоэлектроника, квантовая оптика, нанолитография

Код ГРНТИ29.31.15, 29.31.27, 29.33.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Сверхпроводниковые квантовые детекторы являются “святым Граалем” современной технологии и находят свое применение от квантовых вычислений до медицины и от молекулярной науки до поиска темной материи. Особенно важным приложением является использование сверхпроводников в качестве чувствительных детекторов и болометров видимого и инфракрасного излучения, где сверхпроводящие устройства превосходят устройства, основанные на традиционном полупроводниковом подходе. Приоритетным направлением являются тонкие сверхпроводящие пленки, которые благодаря исключительным характеристикам (быстрая диффузия квазичастиц и относительно короткое время релаксации), дают возможность создавать высокочувствительные сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SNSPD) и болометры на горячих электронах (HEB). В то время как SNSPD на основе тонких сверхпроводящих пленок широко используются в квантовой криптографии, космической связи и спектроскопии, сверхпроводниковые болометры являются важной технологией в наблюдательной астрономии в среднем ИК и терагерцовом диапазоне длин волн. Толщина пленки является критическим параметром в этой технологии, поскольку с технической точки зрения, существует проблема выращивания высококачественных сверхтонких пленок, которая создает препятствия на пути развития устройств на основе сверхпроводников. Кроме того, низкая рабочая температура ограничивает их использование во многих приложениях, где требуется квантовый предел чувствительности. Между тем, наблюдается быстрое развитие в области двумерной сверхпроводимости. Несколько лет назад был показан первый успешный пример двумерного сверхпроводника с атомной толщиной, которая на порядок меньше, чем у предельно тонких кристаллов BSCCO, которые между тем продемонстрировали, что сверхпроводимость в них сохраняется без заметного ухудшения критической температуры. В настоящее время в списке чистых двумерных сверхпроводников встречаются представители семейства дихалькогенидов переходных металлов (NbSe2, NbS2, TaS2, TaSe2, WTe2), семейства купратов (BSCCO) и пниктидов (FeSe), а также уникальная сверхпроводимость в графене с исключительно малой теплоемкостью. Несмотря на ожидаемое превосходство, обеспечиваемое бездефектной монокристаллической структурой, чистые двумерные сверхпроводники остаются в значительной степени неизученными в области технологии однофотонных детекторов. Это формирует видение предлагаемого исследования: объединить наш опыт в области сверхпроводящих детекторов и двумерных материалов для разработки новых практических устройств для технологий будущего. Интегрированный двухмерный однофотонный детектор на чипе вместе с двумерным источником будет идеальным устройством для эффективного изучения фундаментальной физики двумерных наноматериалов, а также для детектирования отдельных фотонов низкой энергии. Проблема с чистыми двумерными сверхпроводниками заключается в их чувствительности к окружающей среде и их деградации в условиях окружающей среды. Доказано, что большинство из них не выдерживают стандартных методов нанопроизводства, которые ограничивают их практическое использование. Чтобы обойти эти проблемы, в предлагаемом исследовании мы будем использовать последние достижения области технической науки, занимающейся осаждением Ван-дер-Ваальс материалов и изготавливать наши устройства в инертной атмосфере перчаточного ящика, заполненного аргоном. Кроме того, мы будем использовать новый подход к структурированию устройств с использованием сфокусированного ионного пучка, который предлагает неинвазивный метод локального структурирования двумерных материалов. Мы планируем изучение динамики квазичастиц, чтобы найти наиболее подходящие материалы для сверхпроводящих однофотонных детекторов и источников одиночных фотонов с помощью экспериментов с накачкой, зондом и исследований магниточувствительности. Затем мы сделаем SNSPD и HEB с использованием наиболее перспективных двумерных сверхпроводников и в дальнейшем интегрируем их в интегральную инфракрасную нанофотонную систему. Мы ожидаем, что полученные в результате устройства превзойдут по характеристикам устройства, созданные с помощью традиционных технологий нанопроизводства и предполагаем их использование в будущем для квантового детектирования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Вадим Ковалюк, Евгения Шевелева, Марк Ауслендер, Григорий Гольцман, Рони Шнек, Зиновий Дашевский Polycrystalline PbTe:In films on amorphous substrate. Structure and physical properties. Materials, Materials 2022, 15(23), 8383 (год публикации - 2022)
10.3390/ma15238383

2. Алексей Кузин, Василий Чернышев, Вадим Ковалюк, Павел Ан, Александр Голиков, Григорий Гольцман, Дмитрий Горин In Situ Monitoring of Layer-by-Layer Assembly Surface Modification of Nanophotonic-Microfluidic Sensor Analytical Chemistry, Analytical Chemistry 2022 94 (42), 14517-14521 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.analchem.2c03909

3. Фабиан Бойтель, Франк Брюкурхофф-Плюкельманн, Хельге Херинг, Вадим Ковалюк, Филипп Золотов, Григорий Гольцман, Вольфрам Пернис Fully integrated four-channel wavelength-division multiplexed QKD receiver Optica, Vol. 9, Issue 10, pp. 1121-1130 (2022) (год публикации - 2022)
10.1364/OPTICA.468982

4. КОЛЛЕКТИВНАЯ МОНОГРАФИЯ "ТЕРАГЕРЦОВАЯ ФОТОНИКА" КОЛЛЕКТИВНАЯ МОНОГРАФИЯ "ТЕРАГЕРЦОВАЯ ФОТОНИКА" Российской академии наук. (год публикации - 2023)

5. Р.А. Хмельницкий, В.Р. Мартовский, Ю.В. Бондарева, А.И. Колбатова, Н.А. Титова, Г.Н. Гольцман, Ф.С. Федоров, А.В. Егоров, Н.А. Матсокин, А.Г. Квашнин, Д.Г. Квашнин, С.А. Евлашин Synthesis and characterization of niobium carbide thin films on diamond surface for superconductive application Journal of Alloys and Compounds, номер 976, страницы 173266 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jallcom.2023.173266

6. Шеин К.В., Жаркова Е.В., Кащенко М.А, Колбатова А.И., Любчак А.Н., Есин Л., Нгуен Е., Семенов А.В., Чараев А.И, Шиллинг А., Гольцман Г.Н., Новоселов К.С., Гайдученко И.А, Бандурин Д.А. Fundamental Limits of Few-Layer NbSe2 Microbolometers at Terahertz Frequencies ACS Nano Letters, 24, 7, 2282–2288 (год публикации - 2024)
10.1021/acs.nanolett.3c04493

7. Зотова Ю., Семенов А.В., Вонг Р., Чжоу Ю., Аставьеф О.В., Цай Д. Tunable compact on-chip superconducting switch American physical society, 21, 024059 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevApplied.21.024059

Публикации