Caratterizzazione elettro-ottica di rivelatori superconduttivi di singolo fotone

All'INRIM (Istituto Nazionale di RIcerca Metrologica), vengono fabbricati e studiati i Transition-Edge Sesors (TES), sensori a transizione di fase, che sono particolari rivelatori in grado di risolvere il numero di fotoni simultaneamente incidenti. Grazie a questa capacit`a e alla loro elevata risoluzione energetica intrinseca, i TES sono di interesse per scienze moderne come la Quantum Information (QI) o per la ridefinizione della candela, unit`a di misura di base del Sistema Internazionale per la misura dell'intensit` a luminosa. Un TES `e un calorimetro molto sensibile basato sulla brusca transizione di un film superconduttivo tra lo stato superconduttivo e quello normale. All'INRIM vengono fabbricati dispositivi di superficie attiva 20 μm × 20 μm, composti da uno strato superconduttivo di titanio sul quale `e depositato uno strato di metallo normale, oro o palladio. L'abbinamento metallo-superconduttore abbassa la temperatura critica del titanio (circa 450 mK) per effetto prossimit`a a circa 100 mK. Quando il TES assorbe un fotone di energia E , la sua temperatura aumenta secondo ΔT = E /C, con C capacit`a termica del dispositivo. L'aumento di temperatura provoca un aumento di resistenza del rivelatore, il quale, essendo polarizzato in tensione, sar`a attraversato da una corrente minore. La variazione di corrente nel TES `e misurata tramite un DC SQUID che trasforma tale variazione in un segnale di tensione che viene letto da un oscilloscopio. L'ampiezza della variazione di corrente `e proporzionale all'energia assorbita dal rivelatore e nel caso di radiazione monocromatica ci`o consente di discriminare il numero di fotoni contemporaneamente incidenti. Il TES viene raffreddato da un refrigeratore a diluizione 3He −4 He per essere mantenuto all'interno della transizione di fase. La caratterizzazione ottica del dispositivo viene fatta illuminandolo con una sorgente laser impulsata nel visibile o vicino infrarosso attraverso una fibra ottica (precedentemente allineata con il dispositivo a temperatura ambiente). Si effettua cos`ı il conteggio dei fotoni rivelati dal TES visualizzando in tempo reale l'istogramma dell'ampiezza degli impulsi acquisiti dall'oscilloscopio. La risoluzione energetica ottenuta `e al meglio 0,2 eV per fotoni con energia pari a 0,95 eV e un tempo di recupero (al minimo) pari a 2.7 μs. I 4 TES vengono inoltre caratterizzati mediante la misura dell'impedenza complessa nella fase di transizione fra superconduttore e stato normale. Il metodo consiste nel sovrapporre, tramite un opportuno circuito di misurazione, un segnale sinusoidale di frequenza variabile al segnale DC che polarizza il TES. I dati sperimentali ottenuti possono essere confrontati con il modello teorico proposto da Lindeman nel 2004 per ricavare i valori di capacit`a termica C, conduttanza termica G e gradiente di resistenza rispetto alla temperatura e alla corrente del dispositivo in esame.