Détection de photons et d'électrons uniques par de nanostructures supraconductrices

par Michaël Rosticher

Thèse de doctorat en Physique des solides

Sous la direction de Jean-Paul Maneval.

Soutenue en 2012

à Paris 6 .


  • Résumé

    Un nanofil supraconducteur (typiquement 100 nm de large et 10 nm d’épaisseur), polarisé par un courant légèrement sous-critique, est sensible à l’absorption d’une quantité d’énergie de l’ordre de l’électron-volt, suffisante pour initier localement une transition résistive détectable. L’application à la détection de photons uniques a démarré il y a une dizaine d’années avec des nanofilaments de NbN et NbTiN. Ces dispositifs ont démontré des performances, en termes de sensibilité, de rapidité et de comptage noir, supérieures aux autres techniques de détection, particulièrement pour les longueurs d’ondes utilisées en télécommunications (1. 3 µm – 1. 55 µm). Dans ce travail de thèse, nous étudions la réponse induite par une excitation incidente de nature lumineuse ou électronique pour une même nanopiste supraconductrice. En utilisant la colonne d’un microscope électronique à balayage comme source de particules, nous avons mis en évidence la sensibilité de ces structures à des électrons uniques avec des efficacités de détection proches de l’unité pour des énergies incidentes entre 10 keV et 20 keV. Ce dispositif expérimental nous a également permis de réaliser des cartes d’efficacité de détection de la surface d’un détecteur en NbTiN et de sonder localement la réponse du nanofil avec une résolution spatiale inférieure à 100 nm. En détection de photon nous avons observé que le mouvement de vortex induits par un champ magnétique extérieur pouvait faciliter l’apparition d’une transition résistive détectable, se traduisant par une augmentation de la sensibilité. On parle d’un régime de détection assisté par « vortex-flow ».

  • Titre traduit

    Detection of single photons and electrons by superconducting nanowires


  • Résumé

    In a superconducting nanowire (typically 100 nm wide, 10 nm deep), biased at a slightly subcritical current, an energy input in the electron-volt range is sufficient to initiate a detectable resistive transition. Single photon detection started a decade ago upon that principle by using NbN and NbTiN filaments whose capabilities, in terms of sensitivity, speed and dark count rate, compete favorably with other detection devices, particularly in the telecommunication range (1. 3 µm – 1. 55 µm). In this PhD thesis, we study the response of such nanostrips exposed successively to incident photonic and electronic irradiations. The electrons (10 keV to 20 keV) provided by the column of a scanning electron microscope allow us to demonstrate the single electron operation, with an intrinsic efficiency close to unity. With this experimental setup, we could map the detection efficiency of a NbTiN nanowire meander with a spatial resolution better than 100 nm. We have also investigated the influence of a magnetic field in photon counting experiments. For moderate intensities (~ 0. 3 tesla), we observe an increase of the sensitivity to single photons, which we interpret as the combined effect of energy absorption and vortex flow.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (146 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 139-146. 136 réf. bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université Pierre et Marie Curie. Bibliothèque Universitaire Pierre et Marie Curie. Section Biologie-Chimie-Physique Recherche.
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  • Cote : T Paris 6 2012 459
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