Supraleitender Ein-Photonenzähler: Quantenfluktuationen und spektrale Abhängigkeit

Wolfgang Cassing

R. Lusche

In dieser Arbeit werden supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (engl. superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs)) mit dem Ziel untersucht, das Verständnis des Einzelphotonendetektionsmechanismus zu vertiefen. Eine umfassendere Kenntnis der genauen physikalischen Abläufe im Detektionsprozess ermöglicht die gezielte Verbesserung von Parametern, die für Anwendungen relevant sind, wie beispielsweise die intrinsische Detektionseffizienz (IDE). Um neue Erkenntnisse zu erlangen, wurden Photonen- und Dunkelzählraten von mäanderförmigen SNSPDs aus den Materialien TaN und NbN bei verschiedenen Wellenlängen und Transportströmen gemessen und mit theoretischen Modellen des Detektionsmechanismus verglichen. Im ersten Teil der Arbeit wurden die Zählraten von SNSPDs mit unterschiedlichen Streifenbreiten gemessen und daraus spektrale intrinsische Detektionseffizienzen bestimmt. Diese bezeichnen die Wahrscheinlichkeit des SNSPDs einen messbaren Spannungspuls nach Absorption eines Photons auszulösen. Die IDE-Spektren zeigten eine charakteristische Grenzwellenlänge λC bis zu der Photonen mit einer etwa hundertprozentigen Wahrscheinlichkeit detektiert werden. Es wurde herausgefunden, dass die Grenzwellenlänge mit zunehmender inverser Streifenbreite linear zunahm, was quantitativ am besten durch das erweiterte Hot-Spot Modell beschrieben wurde. Um das Verständnis des Detektionsmechanismus weiter zu vertiefen, wurden im zweiten Teil der Arbeit Messungen der Photonen- und Dunkelzählraten in Abhängigkeit vom Magnetfeld mit Flussdichten bis zu 250 mT durchgeführt. Dazu wurde in einem ersten Schritt ein variabler Temperatureinsatz (Verdampferkryostat) für mobile 4He Dewargefäße aufgebaut. Mit Hilfe dieses Aufbaus konnte erstmals gezeigt werden, dass die Photonenzählrate von NbN-Mäandern eine Magnetfeldabhängigkeit aufweist. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Feldabhängigkeit der Photonen- und der Dunkelzählraten sehr gut durch das quasistatische Vortexmodell beschrieben werden kann. Somit konnte die in dem Modell aufgestellte Behauptung, dass Vortices am Photonendetektionsprozess beteiligt sind, innerhalb dieser Arbeit bestätigt werden. Weiterhin wurde aus dem Vergleich der experimentellen, magnetfeldabhängigen Photonen- und Dunkelzählraten mit dem Modell geschlussfolgert, dass Dunkelereignisse hauptsächlich aus dem Bereich der Windungen stammen, während Photonenereignisse aus den Windungen und den geraden Teilstücken des Streifens stammen können. Der Beitrag der Photonenereignisse aus den graden Teilen ist entweder bei großen Strömen oder bei großen Photonenenergien dominant.

HERBERT WALTHER

Jan Andre Klärs

Einer der faszinierenden Aspekte der Bose-Einstein-Kondensation ist, dass sie selbst in idealen, d.h. wechselwirkungsfreien, Bose-Gasen auftritt, wodurch sie sich grundlegend von allen Phasenübergängen unterscheidet, bei denen eine langreichweitige Ordnung des Systems durch Wechselwirkung erzeugt wird - wie beispielsweise beim Ferromagnetismus. Viele der Schwierigkeiten, die sich bei der experimentellen Realisierung der Bose-Einstein-Kondensation ergeben haben, haben ihren Ursprung darin, dass es tatsächlich nur wenige physikalische Systeme gibt, die einem idealen Bose-Gas nahe kommen: So ist supraflüssiges Helium recht weit entfernt von einem idealen Bose-System, was sich unter anderem daran zeigt, dass hier der Besetzungsgrad des Grundzustands auf 8% limitiert ist. Atomare Gase sind nur bei extrem starker Verdünnung schwach wechselwirkend. Die in typischen Experimenten mit ultrakalten Alkaligasen verwendeten geringen Dichten ziehen extrem kleine Übergangstemperaturen nach sich, was erhebliche Ansprüche an die verwendeten Kühltechniken stellt. Das vielleicht beste Beispiel eines idealen Bose-Gases ist die Schwarzkörperstrahlung. Die Schwarzkörperstrahlung zeigt allerdings keine Bose-Einstein-Kondensation bei niedrigen Temperaturen, was daran liegt, dass hier nicht nur die spektrale Verteilung der Photonen von der Temperatur abhängt, sondern auch die Photonenzahl insgesamt. Wenn die Temperatur abgesenkt wird, so verringert sich gleichzeitig die Photonenzahl und verhindert damit das Auftreten einer Kondensation. Ein verändertes Tieftemperaturverhalten ergäbe sich nur dann, wenn Thermalisierungsprozesse gefunden werden könnten, bei denen die Photonenzahl erhalten bleibt. Vorgeschlagen wurde beispielsweise ein Thermalisierungsprozess durch Photon-Photon-Stöße in einem nichtlinearen Medium und auch die momentan viel beachteten Experimente zur Kondensation von Exziton-Polaritonen, bei denen ebenfalls binäre Stöße einen Thermalisierungsprozess bewirken, können in diesem Zusammenhang genannt werden. Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen zur Thermodynamik von paraxialem Licht in einem Farbstoff-Mikroresonator. Durch Kontakt mit einem Wärmebad (mehrfache Absorptions-Emissionszyklen in einem Farbstoff) gelangt das Licht in ein thermisches Gleichgewicht mit dem Resonatoraufbau und übernimmt so dessen Temperatur (Raumtemperatur). Anders als in einem Schwarzkörperstrahler ist im vorliegenden Experiment die Dynamik der Photonen durch die modifizierte Spontanemission im Mikroresonator auf Änderungen der transversalen Freiheitsgrade beschränkt. Formal wird das Photonengas dadurch äquivalent zu einem zweidimensionalen atomaren Bose-Gas, das zudem effektiv einem Fallenpotential unterworfen ist. Darüber hinaus verläuft der Thermalisierungsprozess photonenzahlerhaltend, d.h. anders als in einem Schwarzkörper wird die Photonenzahl nicht durch die Temperatur eingestellt. Experimentell kann die Thermalisierung des Photonengases durch die Beobachtung thermisch verteilter optischer Frequenzen im Mikroresonator (Bose-Einstein-Verteilung), sowie einer räumlichen Relaxierung der Photonen in das Fallenzentrum nachgewiesen werden. Ab einer bestimmten Photonenzahl im Resonator kann zudem ein Sättigungsverhalten der transversal angeregten Photonenzustände festgestellt werden, begleitet von einer makroskopischen Besetzung des transversalen Grundzustands. Die experimentell ermittelte Photonenzahl, bei der die Kondensation einsetzt ist, entspricht sehr genau der kritischen Teilchenzahl, die man für eine Bose-Einstein-Kondensation theoretisch erwarten würde. Auch die erwartete Abhängigkeit von den Geometrieparametern des Resonators kann experimentell bestätigt werden. Außerdem kann aufgrund der räumlichen Relaxierung der Photonen auch dann eine Kondensation im Fallenzentrum beobachtet werden, wenn das Pumplicht keinen Überlapp mit dem Grundmoden besitzt. Diese experimentellen Beobachtungen lassen den Schluss zu, dass in der vorliegenden Doktorarbeit erstmals ein Gleichgewichtsphasenübergang in einem Photonengas beobachtet wurde, der im engeren Sinn als Bose-Einstein-Kondensation von Licht zu betrachten ist.

Stefan Schietinger

Die hier vorgelegte Dissertation beschäftigt sich mit Untersuchungen an nanoskopischen Emittern und den Möglichkeiten, deren Fluoreszenzverhalten durch kontrollierte Ankopplung an photonische und plasmonische Strukturen zu beeinflussen. Zum einen werden mit Ytterbium- und Erbium-Ionen kodotierte NaYF4 -Nanokristalle untersucht, die hervorragende Eigenschaften bei der Umwandlung von niederenergetischen Photonen in solche höherer Energie besitzen. Das so entstehende Fluoreszenzlicht einer Ansammlung von Nanokristallen wird auf seine Abhängigkeit von der Anregungsintensität untersucht. Mit der Hilfe eines Rasterkraftmikroskops (AFM) wird eine Abhängigkeit der spektralen Zusammensetzung des Fluoreszenzlichts einzelner Nanokristalle von deren Größe im Bereich von wenigen bis 50 nm aufgezeigt. Durch gezielte Manipulation mit dem AFM werden ebenfalls einzelne Nanokristalle an Goldnanokügelchen gekoppelt und die Mechanismen der beobachteten plasmonischen Verstärkung der Emission durch zeitaufgelöste Messungen analysiert. Einzelne Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Nanodiamanten werden in einem zweiten Themenkomplex als Einzelphotonenquellen eigesetzt. Diese werden durch den Einsatz einer Nahfeld-Sonde auf Mikrokugel-Resonatoren aufgebracht, wodurch die Emission aufgrund der Ankopplung an die Flüstergalerie-Moden der Kugeln die typischen, scharfen Überhöhungen im Spektrum aufweist. Diese Methode lässt sich nicht nur verwenden, um zwei oder mehr Emitter an die selben Resonanzen einer Kugel zu koppeln. Es ist auch möglich, die Kugeln in einem Vorbereitungsschritt zu charakterisieren, und so kann insbesondere eine spektrale Übereinstimmung zwischen einer der Resonanzen und dem Emitter erreicht werden. Desweiterne wird demonstriert, wie durch die Kopplung an eine plasmonische Antenne aus Goldnanokugeln mittels AFM auch die Effizienz der Einzelphotonenquelle gesteigert werden kann.

Dieter Meschede