超导谐振器的光脉冲响应研究

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近年来,超导微波谐振器在弱光探测领域表现出的良好性能吸引了国内外众多学者的注意,是当今超导领域科研学者们青睐的热门研究课题之一,在量子信息处理、量子计算、参量放大、量子光学实验等前沿领域有着较好的应用潜力。其中利用动态电感效应可做成微波动态电感探测器(Microwave Kinetic Inductance Detectors,MKID)应用于光子探测,尤其在弱光探测、光子计数方面表现出良好的性能。为了在光子计数领域有更大的进展,我们必须对探测器的光脉冲响应进行深入研究。MKID的单光子探测机制是超导体吸收入射光脉冲的光子能量后快速产生准粒子,随后准粒子在超导体内发生扩散和重组,其密度分布的改变将影响超导薄膜的动态电感,从而导致超导谐振器谐振频率的改变,这种脉冲信号可以通过时域零差测量线路读取,因此只要找到动态电感的随时变化,就可以进一步研究超导薄膜内部准粒子的弛豫过程和扩散过程。首先我们实验上设计并制备了二分之一波长谐振器,并设计了相应的样品盒和光耦合装置。在不同的谐振模式下,谐振器中心处的电流分布呈波节或波腹,对该点施加不同光脉冲并搭建时域零差测量线路读取相应的频率响应。我们在多种温度下测量了不同微波功率和不同光波长的多组频率响应,在对实验数据进行处理和分析后总结了微波功率和光波长对频率响应的影响。为了进一步研究光脉冲响应的主要研究因素,本文首先推导了二分之一波长谐振器不同谐振模式下的RLC等效电路,提出了一种随时间变化的可变电感电路模型来模拟谐振器的光响应过程,在电路仿真平台中搭建了此模型并利用此模型拟合实验数据,提取出了动态电感随时间的变化,它去除了外部谐振电路的影响,直接反映了准粒子随时间的弛豫过程。最后,本文提出了准粒子高斯分布模型,它可以区分准粒子弛豫和扩散的影响,同时根据沿传输线的电流分布特点估计出准粒子存在的区域尺寸和扩散常数。经我们的模型估计,50 m K和350 m K时的初始光斑尺寸分别为1.27 mm和1.33 mm,超导铝薄膜材料的扩散常数分别为103cm~2/s和183 cm~2/s。我们的模型对于更高性能动态电感探测器的设计有着十分重要的意义,同时,本文提出的方法可用于研究超导体内部准粒子的弛豫过程。
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