- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
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.