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Einzelladungs-Schaltungen

Arbeitsgruppe 2.42

Einzelphotonen-Detektion und Spektrometrie mit S-I-N-I-S Elektronenfalle

Vor kurzem haben wir demonstriert [1], dass eine ähnliche Schaltung wie ein hybrides S-I-N-I-S Turnstile auch als Einzelphotonen-Detektor und -Spektrometer eingesetzt werden kann, sollte nur ein Endterminal galvanisch offen bleiben und an ein oder gleich an mehrere Einzelelektronenelektrometer angekoppelt sein (sogenannte Einzelelektronenfalle, s. Abbildung 1). Der wesentliche Vorteil solch einer Detektor-Schaltung besteht in einer extrem hohen Empfindlichkeit bis zum Auflösen von einzelnen Photonen, die den Detektor entweder über die Signalleitung oder aus der Umgebung des Probenraumes erreichen können. Aufgrund einer unkomplizierten Anpassungsmöglichkeit für die Höhe der Coulomb-Barriere im S-I-N-I-S Doppelkontakt und damit auch des Energie-Schwellenwertes von absorbierten Photonen ist diese Schaltungsart auch für eine spektrometrische Analyse geeignet. Als Anwendungsgebiet wäre die Feincharakterisierung des Hintergrund-Mikrowellenspektrums in mK-Messumgebungen für Metrologie und Quanten-Informationsverarbeitung denkbar.

 

 

Abbildung 1:
Elektronmikroskopisches Bild einer S-I-N-I-S Elektronenfalle (R-SINIS-trap), gekoppelt an zwei S-I-N-I-S Elektrometer (SET A und SET B). Im dargestellten Experiment [2] spielt Elektrometer SET B die Rolle der Photonenquelle und Elektrometer SET A registriert die von diesen Photonen induzierten Übergänge zwischen benachbarten Ladungszuständen der Elektronenfalle.

 

Abbildung 2:
Gleichzeitiges Aufnehmen zweier Signale, jeweils von Elektrometer SET A und SET B. Ein Wechsel zwischen unteren und oberen Signalpegel in der roten Kurve entspricht einer Ein-Elektronen-Inkrementierung der eingespeicherten Ladung in der Falle. Die Umladung erfolgt unter Beeinflussung durch von SET B ausgelösten Einzelphotonen.

 

 

[1] S. V. Lotkhov, O.-P-Saira, J. P. Pekola und A. B. Zorin, Single-charge escape processes through a hybrid turnstile in a dissipative environment, New J. Phys. 13, 013040 (2011).

 

[2] S. V. Lotkhov und A. B. Zorin, A hybrid superconductor-normal metal electron trap as a photon detector, Appl. Phys. Lett. 100, 242601 (2012).