Научная тема: «ОСОБЕННОСТИ РАЗОГРЕВА И РЕЛАКСАЦИИ ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНОВ В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ НАНОСТРУКТУРАХ И 2D ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ ПРИ ПОГЛОЩЕНИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ИНФРАКРАСНОГО И ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНОВ»
Специальность: 01.04.07
Год: 2013
Основные научные положения, сформулированные автором на основании проведенных исследований:
  1. Экспериментально обнаружено новое физическое явление перехода в нормальное состояние NbN тонкопленочных сверхпроводниковых наноструктур, находящихся при температуре ниже температуры сверхпроводящего перехода и смещенных транспортным током, близким к критическому току, при поглощении одиночных фотонов видимого и ИК излучения. Экспериментально исследованы особенности такого перехода и определены характерные времена динамики разогрева и дальнейшей релаксации электронов в NbN наноструктурах при поглощении одиночных фотонов. Обнаруженный эффект позволил создать базу для дальнейших исследований взаимодействия одиночных фотонов средней и дальней ИК области спектра со сверхпроводниковыми тонкопленочными наноструктурами, а также является основой при создании нового класса однофотонных детекторов ближнего ИК диапазона, значительно превосходящих существующие аналоги.
  2. Исследованы особенности взаимодействия излучения терагерцового диапазона со сверхпроводниковыми NbN наноструктурами. Определены времена энергетической релаксации электронов при их разогреве излучением дальней ИК области для NbN структур различной толщины и созданных на различных диэлектрических подложках и с использованием дополнительных согласующих слоев. Созданы структуры, для которых время энергетической релаксации, осуществляемой за счет электрон-фононного взаимодействия, является рекордно малым.
  3. Исследованы процессы роста на диэлектрических подложках ультратонких (до 2 нм) сверхпроводниковых пленок NbN и формирования на их основе планарных структур нанометрового масштаба; разработана технология тонкопленочных NbN структур с характерными размерами в несколько десятков нанометров с основными сверхпроводящими характеристиками, близкими к их значениям в объемном материале. Разработанная технология включает создание к сверхпроводниковым наноструктурам контактной металлизации с предельно малым значением контактного сопротивления, а также разработку топологии основанных на NbN структурах приемников терагерцового и инфракрасного диапазонов, обладающих рекордными значениями чувствительности и быстродействия.
  4. Впервые методом миллиметровой спектроскопии в квазиравновесных условиях измерено время энергетической релаксации τe 2D электронного газа гетероструктур AlGaAs/GaAs в широком интервале температур, а также при влиянии магнитного поля, перпендикулярного поверхности гетероперехода и в зависимости от концентрации двумерных электронов. Выделены температурные интервалы доминирования различных механизмов релаксации 2D электронов AlGaAs/GaAs гетероструктур с участием акустических и оптических фононов; определен вклад в темп энергетической релаксации 2D электронов в магнитном поле переходов носителей заряда внутри последнего занятого уровня Ландау и межуровневых переходов.
  5. На основе изученных процессов разогрева и энергетической релаксации носителей заряда в сверхпроводниковых тонкопленочных NbN наноструктурах и 2D гетеропереходах AlGaAs/GaAs разработаны, созданы и исследованы высокочувствительные и быстродействующие приемники инфракрасного и терагерцового диапазонов:
    • Впервые создан однофотонный детектор видимого, ближнего и среднего инфракрасного диапазонов на основе ультратонких сверхпроводниковых пленок NbN; экспериментально исследованы его основные характеристики: квантовая эффективность, временное разрешение, максимальная скорость счета, предельно достижимый уровень темновых срабатываний, влияние на вероятность темнового счета засветки фоновым излучением. Созданные однофотонные детекторы по совокупности параметров значительно превосходят ближайшие аналоги - полупроводниковые лавинные диоды и фотоэлектронные умножители;
    • Разработаны, созданы и экспериментально исследованы сверхпроводниковые NbN смесители терагерцового диапазона (0.7-30 ТГц) с фононным каналом охлаждения горячих электронов, обладающих рекордными значениями шумовой температуры, полосы преобразования, оптимальной мощности гетеродинного источника;
    • На основе AlGaAs/GaAs гетероструктур созданы и исследованы смесители терагерцового диапазона волн с фононным каналом охлаждения горячих электронов. Определены основные характеристики смесителей - внутренние потери преобразования, шумовая температура, полоса преобразования, оптимальная мощность гетеродинного источника.
Список опубликованных работ
Перечень ведущих рецензируемых научных журналов ВАК:

1. G.Gol´tsman, O.Okunev, G.Chulkova, A.Lipatov, A.Semenov, K.Smirnov, B.Voronov, A.Dzardanov, C.Williams, and R.Sobolewski Picosecond superconducting single-photon optical detector // Applied Physics Letters. – 2001. -V. 79. - N. 6. – P. 705-707.

2. G.Gol’tsman, O.Okunev, G.Chulkova, G.Lipatov, A.Dzardanov, K.Smirnov, A.Semenov, B.Voronov, C.Williams and R.Sobolewski - Fabrication and properties of an ultrafast NbN hot-electron single-photon detector // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2001. – V. 11. – P. 574-577.

3. A.Lipatov, O.Okunev, K.Smirnov, G.Chulkova, A.Korneev, P.Kouminov, G.Gol´tsman, J.Zhang, W.Slysz, A.Verevkin, R.Sobolewski Ultrafast NbN Hot- Electron Single-Photon Detector for Electronic Applications. // Superconductor Science and Technology. – 2002. – V. 15. – P. 1689–1692.

4. R.Sobolewski, Y Xu X Zhang, C.Williams, J.Zhang, A.Verevkin, G.Chulkova, A.Korneev, A.Lipatov, O.Okunev, K.Smirnov, G.Gol´tsman Spectral sensitivity of the NbN single-photon superconducting detector // IEICE Transactions on Electronics. – 2002. - V. E85-C. – N. 3. – P. 797-802.

5.A.Verevkin, J.Zhang, R.Sobolewski, A.Lipatov, O.Okunev, G.Chulkova, A.Korneev, K.Smirnov, G.Gol´tsman Detection efficiency of large-active-area NbN single-photon superconducting detectors in ultraviolet to near-infrared range // Applied Physics Letters. – 2002. – V. 80. – N. 25. – P. 4687-4689.

6.A.Korneev, A.Lipatov, O.Okunev, G.Chulkova, K.Smirnov, G.Gol’tsman, J.Zhang, W.Slysz, A.Verevkin, R.Sobolewski GHz counting rate NbN single-photon detector for IR diagnostics // Microelectronic Engineering, Elsevier. – 2003. – V. 69. – P. 274-278.

7.A.Verevkin, A. Pearlman, W. Slysz , J. Zhang, M. Currie, A. Korneev, G. Chulkova, O. Okunev, P. Kouminov, K. Smirnov, B.Voronov, G.N.Gol’tsman and Roman Sobolewski Ultrafast Superconducting Single-Photon Detectors for Near-Infrared-Wavelength Quantum Communications // Journal of Modern Optics. – 2004. – V. 51. – N. 9-10. - P. 1447-1458.

8.А. Korneev, P. Kouminov, V. Matvienko, G. Chulkova, K. Smirnov, B. Voronov, G. N. Gol’tsman, M. Currie, W. Lo, K. Wilsher, J. Zhang, W. Slysz, A. Pearlman, A. Verevkin, Roman Sobolewski Sensitivity and gigahertz counting performance of NbN superconducting single-photon detectors // Applied Physics Letters. – 2004. – V. 84. – N. 26. - P. 5338-5340.

9. А.А. Корнеев, О.В. Минаева, И.А. Рубцова, И.И. Милостная, Г.М. Чулкова, Б.М. Воронов, К.В. Смирнов, В.А. Селезнев, Г.Н. Гольцман, А. Перлман, В. Слиц, А. Кросс, П. Альварес, А. Веревкин, Р. Соболевский Сверхпроводящий однофотонный детектор на основе ультратонкой пленки NbN // Квантовая электроника. – 2005. - Т. 35 (8). – С. 698-700.

10. А. Korneev, V. Matvienko, O. Minaeva, I. Milostnaya, I. Rubtsova, G. Chulkova, K. Smirnov, V. Voronov, G. Gol´tsman, W. Slysz, A. Pearlman, A. Verevkin, R. Sobolewski Quantum efficiency and noise equivalent power of nanostructured NbN single-photon detectors in the wavelength range from visible to infrared // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2005. – V. 15. – N. 2. – P. 571-574.

11. W. Słysz, M.Wegrzecki, J. Bar, P.Grabies, M. Gorska, V. Zwiller, C. Latta, A. Pearlman, A. Cross, D. Pan, I. Komissarov, I. Milostnaya, A. Korneev, O. Minaeva, G. Chulkova, K Smirnov, B. Voronov, G. Goltsman, R. Sobolewski Fibre- coupled, single photon detector based on NbN superconducting nanostructures for quantum communications // Journal of Modern Optics. – 2007. – V. 54(2–3). – P. 315–326.

12.I. Milostnaya, A Korneev, M. Tarkhov, A. Divochiy, O. Minaeva, V. Seleznev, N. Kaurova, B. Voronov, O Okunev, G Chulkova, K Smirnov and G. Goltsman Superconducting Single Photon Nanowire Detectors Development for IR and THz Applications // Journal of Low Temperature Physics. – 2008. – V. 151. - P. 591-596.

13.G. Goltsman, A. Korneev, A. Divochiy, O. Minaeva, M. Tarkhov, N. Kaurova, V. Seleznev, B. Voronov, O. Okunev, A. Antipov, K. Smirnov, Yu. Vachtomin, I. Milostnaya, G. Chulkova Ultrafast superconducting single-photon detector // Journal of Modern Optics. – 2009. – V. 56. – Issue 15. – P. 1670-1680.

14.D. Elvira, A. Michon, B. Fain, G. Patriarche, G. Beaudoin, I. Robert-Philip, Y. Vachtomin, A. V. Divochiy, K. V. Smirnov, G. N. Goltsman, I. Sagnes, A. Beveratos Time-resolved spectroscopy of InAsP/InP(001) quantum dots emitting near 2 μm // Applied Physics Letters. – 2010. - V. 97. – N. 13. – P. 131907-1 - 131907-3.

15.G. N. Gol’tsman, K. Smirnov, P. Kouminov, B. Voronov, N. Kaurova, V. Drakinsky J. Zhang, A. Verevkin, and R. Sobolewski Fabrication of Nanostructured Superconducting Single-Photon Detectors // IEEE Transaction on Applied Superconductivity. – 2003. – V. 13. – N. 2. – P. 192-195.

16.G.Goltsman, A.Korneev, V.Izbenko, K.Smirnov, P.Kouminov, B.Voronov, N.Kaurova, A.Verevkin, J.Zhang, A.Pearlman, W.Slysz, R.Sobolewski Nano-structured superconducting single-photon detectors // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. – 2004. – V. 520. – Issue 1-3. - P. 527-529.

17.J.Kitaygorsky, J.Zhang, A.Verevkin, A.Sergeev, A.Korneev, V.Matvienko, P.Kouminov, K.Smirnov, B.Voronov, G.Gol´tsman, R.Sobolewski Origin of Dark Counts in Nanostructured NbN Single-Photon Detectors // IEEE Transaction on Applied Superconductivity. – 2005. – V. 15(2). – P. 545-548.

18. A.Pearlman, A.Cross, W.Slysz, J.Zhang, A.Verevkin, M.Currie, A.Komeev, P.Kouminov, K.Smimov, B.Voronov, G.Gol´tsman, R.Sobolewski Gigahertz counting rates of NbN single-photon detectors for quantum communications // IEEE Transaction on Applied Superconductivity. - 2005. - V. 15(2). - P. 579-582.

19. G.Gol´tsman, A.Korneev, I.Rubtsova, I.Milostnaya, G.Chulkova, O.Minaeva, K.Smirnov, B.Voronov, W.Slysz, A.Pearlman, A.Verevkin, R.Sobolewski Ultrafast superconducting single-photon detectors for near-infrared-wavelength quantum communications // Physica Status Solidi - 2005. - V. 2. - N. 5. - P. 1480- 1488.

20. W. Slysz, M. Wegrzecki, J. Bar, M. Gorska, V. Zwiller, C. Latta, P. Bohi, I. Milostnaya, O. Minaeva, A. Antipov, O. Okunev, A. Korneev, K. Smirnov, B. Voronov, N. Kaurova, G. Gol’tsman, A. Pearlman, A. Cross, I. Komissarov, A. Verevkin, R. Sobolewski Fiber-coupled single-photon detectors based on NbN superconducting nanostructures for practical quantum cryptography and photon-correlation studies // Applied Physics Letters. - 2006. - V. 88. - Issue. 26. - P. 261113-1 - 261113-3.

21.Milostnaya, A. Korneev, I. Rubtsova, V. Seleznev, O. Minaeva, G. Chulkova, O. Okunev, B. Voronov, K. Smirnov, G. Gol´tsman, W. Słysz, M. Wegrzecki, M. Guziewicz, J. Bar, M. Gorska, A. Pearlman, J. Kitaygorsky, A. Cross and R. Sobolewski Superconducting single-photon detectors designed for operation at 1.55-um telecommunication wavelength // Journal of Physics: Conference Series. -2006. - V. 43. - P. 1334-1337.

22.Korneev, A.; Vachtomin, Y.; Minaeva, O.; Divochiy, A.; Smirnov, K.; Okunev, O.; Golapos;tsman, G.; Zinoni, C; Chauvin, N; Balet, L.; Marsili, F.; Bitauld, D.; Alloing, В.; Lianhe Li; Fiore, A.; Lunghi, L.; Gerardino, A.; Haider, M.; Jorel, C; Zbinden, H. Single-Photon Detection System for Quantum Optics Applications // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2007. -V. 13, - Issue 4. - P. 944 - 951.

23.С Zinoni, B. Alloing, L. H. Li, F. Marsili, A. Fiore, L. Lunghi, A. Gerardino, Yu. B. Vakhtomin, K. V. Smirnov, and G. N. Gol’tsman Single-photon experiments at telecommunication wavelengths using nanowire superconducting detectors // Applied Physics Letters. - 2007. - V. 91. - Issue 3. - P. 031106-1 -031106-3.

24.K. Smirnov, A. Korneev, O. Minaeva, A. Divochiy, M. Tarkhov, S. Ryabchun, V. Seleznev, N. Kaurova, B. Voronov, G. Gol’tsman, S. Polonsky Ultrathin NbN film superconducting single-photon detector array // Journal of Physics: Conference Series. - 2007. - V. 61. - P. 1081-1085.

25. A Korneev, A Divochiy, M Tarkhov, O Minaeva, V Seleznev, N Kaurova, B Voronov, O Okunev, G Chulkova, I Milostnaya, K Smirnov and G Gol’tsman New advanced generation of superconducting NbN-nanowire single-photon detectors capable of photon number resolving // Journal of Physics: Conference Series. – 2008. – V. 97. – P. 012307-1 – 012307-6.

26. К. В. Смирнов, Ю. Б. Вахтомин Приемники инфракрасного и терагерцового излучения на основе сверхпроводниковых наноструктур // Интеграл. – 2010. - № 2. - С. 17-19.

27. Jukna A., Kitaygorsky J., Pan D., Cross A., Perlman A., Komissarov I., Sobolewski R., Okunev O., Smirnov K., Korneev A., Chulkova G., Milostnaya I., Voronov B., Gol´tsman G.N. Dynamics of hotspot formation in nanostructured superconducting stripes excited with single photon // Acta Physica Polonica A. - 2008. – V. 113. – N. 3. – P. 955-958.

28. Шангина Е.Л., Смирнов К.В., Морозов Д.В., Ковалюк В.В., Гольцман Г.Н., Веревкин А.А., Торопов А.И. Полоса и потери преобразования полупроводникового смесителя с фононным каналом охлаждения двумерных электронов // Физика и техника полупроводников. – 2010. – Т. 44. – В. 11. – С. 1475-1477.

29.E. L. Shangina, K. V. Smirnov, D. V. Morozov, V. V. Kovalyuk, G. N. Goltsman, A. A. Verevkin, A. I. Toropov and P. Mauskopf Concentration dependence of energy relaxation time in AlGaAs/GaAs heterojunctions: direct measurements // Semiconductors Science and Technology. – 2011. – V. 26. – P. 025013-1 – 025013-5.

30.Е. Л. Шангина, К. В. Смирнов, Д. В. Морозов, В. В. Ковалюк, Г. Н. Гольцман, А. А. Веревкин, А. И. Торопов Концентрационная зависимость полосы преобразования смесителей субмиллиметрового диапазона на основе наноструктур AlGaAs/GaAs // Известия РАН. Серия физическая. – 2010. – Т. 74. - № 1. – С. 110–112.

31. Веревкин А.А., Птицина Н.Г., Смирнов К.В., Гольцман Г.Н., Гершензон Е.М., Ингвессон К.С. Прямые измерения времен энергетической релаксации на гетеpогpанице AlGaAs/GaAs в диапазоне 4.2 - 50 К // Письма в «Журнал экспериментальной и теоретической физики». – 1996. – Т. 64(5). – С. 371-375.

32. А.А.Веревкин, Н.Г.Птицина, К.В.Смирнов, Г.Н.Гольцман, Е.М.Гершензон, К.С.Ингвессон Множественное андреевское отражение в гибридных структурах на основе сверхпроводящего нитрида ниобия и гетероперехода AlGaAs/GaAs // Физика и техника полупроводников. – 1999. – Т. 33. – В. 5. – С. 590-593.

33. К.В.Смирнов, Н.Г.Птицина, Ю.Б.Вахтомин, А.А.Веревкин, Г.Н.Гольцман, Е.М.Гершензон Энергетическая релаксация двумерных электронов в области квантового эффекта Холла // Письма в «Журнал экспериментальной и теоретической физики». – 2000. – Т. 71 (1). – С. 47-52.

34. Г.Н.Гольцман, К.В.Смирнов Электрон-фононное взаимодействие в двумерном электронном газе полупроводниковых гетероструктур при низких температурах // Письма в «Журнал экспериментальной и теоретической физики». – 2001. – Т. 74. – С. 532-538.

35.Д.В. Морозов, К.В. Смирнов, А.В. Смирнов, В.А. Ляхов, Г.Н. Гольцман Миллиметровый/субмиллиметровый смеситель на основе разогрева двумерного электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs с фононным каналом охлаждения // Физика и техника полупроводников. – 2005. – Т. 9 (10). – С. 1117-1121.

36.A.D. Semenov, H.-W. Hübers, H. Richter, M. Birk, M.Krocka, U. Mair, K. Smirnov, G.N. Gol’tsman, B.M. Voronov 2.5 THz hetrodyne receiver with NbN hot-electron-bolometer mixer // Physica C. – 2002. – V. 372-376. – P. 454-459.

37.S.V. Antipov, S.I. Svechnikov, K.V. Smirnov, Yu.B. Vakhtomin, M.I. Finkel, G.N. Goltsman, and E.M. Gershenzon Noise Temperature of Quasioptical NbN Hot Electron Bolometer Mixers at 900 GHz // Phisics of vibrations. – 2001. - V. 9. – N. 4. – P. 242-246.

38.Ю.Б.Вахтомин, М.И.Финкель, С.В.Антипов, К.В.Смирнов, Б.М.Воронов, В.Н.Дракинский, Н.С.Каурова, Г.Н.Гольцман Полоса преобразования смесителей на эффекте разогрева электронов в ультратонких пленках NbN на подложках из Si с подслоем MgO // Радиотехника и электроника. – 2003. – Т. 48. - № 6. – С. 1-5.

39.A.D. Semenov, H.-W. Hübers, H. Richter, M. Birk, M. Krocka, U. Mair, Y.V. Vachtomin, M.I. Finkel, S.V. Antipov, B.M. Voronov, K.V. Smirnov, N.S. Kaurova, V.N. Drakinski, G.N. Gol’tsman Superconducting hot-electron bolometer mixer for terahertz heterodyne receivers // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2003. – V. 13. – N. 2. – P. 168-171.

40.D.V. Meledin, C.E. Tong, R. Blundell, N.S. Kaurova, K.V.Smirnov, B.M. Voronov, G.N. Goltsman Study of the IF Bandwidth of NbN Phonon-Cooled HEB Mixers Based on Crystalline Quartz Substrate with an MgO Buffer Layer // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2003. – V. 13. – N. 2. – P. 164-167.

41.A. Semenov, H. Richter, K. Smirnov, B. Voronov, G. Gol’tsman, and H.-W. Hübers The development of terahertz superconducting hot-electron bolometric mixers // Superconductor Science and Technology. – 2004. – V. 17. – P. S436-S439.

42.И.В. Пентин, К.В.Смирнов, Ю.Б.Вахтомин, А.В.Смирнов, Р.В.Ожегов, А.В.Дивочий, Г.Н.Гольцман Быстродействующий терагерцовый приемник и инфракрасный счетчик одиночных фотонов на эффекте разогрева электронов в сверхпроводниковых тонкопленочных наноструктурах // Труды МФТИ. Труды Московского физико-технического института (государственного университета). – 2011. – Т. 3. - № 2. – С. 38-42.

43. Смирнов К.В., Вахтомин Ю.Б., Смирнов А.В., Ожегов Р.В., Пентин И.В., Дивочий А.В., Сливинская Е.В., Гольцман Г.Н. Приемники терагерцового и инфракрасного диапазонов, основанные на тонкопленочных сверхпроводниковых наноструктурах // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. –2010. –Т. 5. -В. 4. -С. 63-67.