Physikalische Grenzen der Empfindlichkeit eines monolithischen supraleitenden THz Sensors aus einer galvanisch-entkoppelten Nanobrücke.

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Siegel; Professor Alexey V. Ustinov, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388956995

Das Ziel des Projektes ist die Untersuchung der Energierelaxationsprozesse in Supraleitern mit starker Unordnung. Die Supraleiter haben hierbei Abmessungen im nanometer-Bereich und werden in der Nähe des Phasenübergangs bei ultra-niedrigen Temperaturen unter Einstrahlung von Mikrowellen- Terahertz- und optischer Strahlung. Diese Relaxationsprozesse definieren das intrinsische Rauschniveau in funktionellen Nanostrukturen, welche die fundamentale Sensitivität der Detektionselemente bestimmen. Die geringe Wärmekapazität der Quasipartikel in einer Nano-Insel oder Nano-Brücke und die relativ großen Energierelaxationszeiten machen diese Strukturen sehr empfindlich gegenüber Anregungen selbst mit ultra-geringem Photon-Fluss. Die potentielle Anwendung kann im Bereich der ultra-sensitiven Photonen-Sensoren in einem breiten Frequenzbereich liegen. Die Materialien für Nano-Inseln sind Niedertemperatursupraleiter mit starker Unordnung wie zum Beispiel Titan (Ti) und Hafnium (Hf) mit kritischen Temperaturen im Bereich um 100 mK. Wenn die Nano-Inseln ein Photon absorbieren, steigt die Anzahl der Quasipartikel oder deren Energieverteilung ändert sich zu nicht-thermisch. Es ist möglich, die Dynamik dieses Prozesses im Detail zu beobachten. Bei sehr niedrigen Temperaturen werden die charakteristische Energie-Relaxationszeiten der Quasipartikel ausreichend lang aufgrund der reduzierten Elektronen-Phononen Wechselwirkung, sogar nahe Tc. Daher kann dieser Nicht-Gleichgewichtszustand beobachtet werden durch die Messung der Veränderung der komplexen Impedanz der Nano-Insel. Eine Änderung der Anzahl an Quasipartikeln aufgrund von Fluktuationen oder Photonenabsorption wird gemessen durch die Veränderung der komplexen mikrowellen-Impedanz im GHz-Frequenzbereich. Dies ist möglich durch das Einbetten der Nano-Insel in einen high-Q supraleitenden Resonator. Dieser Ansatz erlaubt die präzise Untersuchung des Energie-Relaxationsprozesses und der charakteristischen Lebensdauern der Quasipartikel in einer supraleitenden Nanostruktur nahe und unterhalb von Tc und daher die fundamentalen Grenzen der Sensitivität.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen