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Cualquier cambio superficial o dimensional en los dispositivos a nanoescala altera su transferencia de calor. Por lo tanto, controlar la transferencia de calor es fundamental en estos dispositivos.
![Mida fácilmente la conductividad térmica de los sustratos de nanocables](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_39696_16636874084055957.jpg)
Estudio: Puntos calientes de autocalentamiento en nanocables superconductores enfriados por radiación fonónica de cuerpo negro. Crédito de la foto: remotevfx.com/Shutterstock.com
Dentro de este marco, las métricas de rendimiento de un detector de fotón único basado en un nanocable superconductor se ven afectadas por la conductividad térmica de la interfaz entre el sustrato y el nanocable.
Debido a la falta de un método de caracterización simple, la comprensión de la conductividad térmica en los dispositivos de nanocables superconductores sigue sin estar clara. Un artículo publicado en la revista Nature Communications presentó un método simple para medir cuantitativamente la conductividad térmica entre nanocables y sustratos.
Estas medidas son consistentes con la teoría del desajuste acústico para una amplia gama de sustratos. A pesar del desempeño de las simulaciones numéricas, la pregunta abierta sobre el mecanismo subyacente a la conductividad térmica permaneció sin respuesta. El presente trabajo podría servir como guía para la ingeniería térmica de detectores de fotones individuales de nanocables superconductores de próxima generación.
Detectores de fotones individuales de nanocables superconductores
Los fotones individuales son seres cuánticos que son candidatos atractivos para servir como medios en la tecnología cuántica. Por lo tanto, los detectores de fotones únicos son una tecnología clave para explotar el potencial de los sistemas fotónicos cuánticos.
Un nanocable superconductor es un objeto mesoscópico unidimensional (1D) interesante, un requisito fundamental para diversas tecnologías cuánticas. A pesar del potencial de los nanocables superconductores para cambiar por completo la transferencia de calor en un sistema a nanoescala, sus propiedades térmicas a menudo se estudian de pasada.
Los detectores de un solo fotón de nanocables superconductores tienen una combinación única de velocidades en términos de altas tasas de conteo, baja fluctuación de tiempo, alta eficiencia de detección y bajas tasas de conteo oscuro, lo que los convierte en detectores deseables para una variedad de aplicaciones.
El deslizamiento de fase en un cable superconductor delgado ocurre en la escala de longitud de coherencia superconductora, y el efecto túnel del deslizamiento de fase coherente se ve afectado por el calentamiento en las transiciones de deslizamiento de fase. Los detectores de fotones únicos de nanocables superconductores se basan en puntos de acceso localizados para detectar fotones infrarrojos. La energía depositada en los detectores de fotones individuales de nanocables superconductores se libera gradualmente al sustrato en forma de fonones.
La interfaz térmica entre los sustratos dieléctricos y los detectores de fotones simples de nanocables superconductores fue el factor determinante para el rendimiento del dispositivo. Durante la fase inicial de la fotodetección, la energía fotónica absorbida por los detectores de fotones individuales de nanocables superconductores se divide en excitaciones de fonones y cuasipartículas.
En consecuencia, se reduce la energía disponible para distorsionar el estado superconductor. Los fonones de ruptura de pares que escapan al sustrato reducen la conductividad térmica limitante y aumentan la eficiencia de detección en un dispositivo.
Puntos calientes de autocalentamiento en nanocables superconductores
En el presente trabajo, la conductividad térmica entre los nanocables superconductores y los sustratos se determinó midiendo la corriente del punto de acceso de autocalentamiento (Ihora), que es la corriente requerida para mantener un punto caliente dentro del nanocable.
Aunque este tipo de cuantificación se informó anteriormente, se limitó a la escala micrométrica y un tipo de sustrato y no cumplió con las expectativas teóricas. Además, algunos valores de conductividad térmica reportados en la literatura fueron mayores que los valores teóricos. En cambio, la reinterpretación de los demás por el presente esquema fue consistente con los valores teóricos.
Además, estudios previos sobre detectores de fotón único de nanocables superconductores y detectores relacionados a menudo usaban un modelo de transferencia de calor linealizado, que resultó incompatible con los datos obtenidos.
Para medir la conductividad térmica entre los nanocables superconductores y los sustratos y asignar los puntos calientes de autocalentamiento en los nanocables, las mediciones realizadas por Ihora (temperatura del baño, Tb) para nanocables de 17 NbN se compararon con simulaciones de elementos finitos electrotérmicos y experimentales para seis materiales de sustrato diferentes.
Los resultados mostraron que el presente método funciona bien para extraer la conductividad térmica. Sin embargo, la extracción del exponente n, que describe la ley de potencia de enfriamiento sobre el sustrato, no proporciona resultados fiables.
El presente método se aplicó principalmente a dispositivos de nanocables fabricados con los mismos materiales y construcciones para procesar detectores de fotones simples de nanocables superconductores de última generación. Además, el presente método carecía de requisitos especiales, tales como B. el diseño del dispositivo o la configuración experimental, que son requisitos típicos en las mediciones anteriores del detector de fotones individuales con nanocables superconductores.
Conclusión
En resumen, el presente método para extraer la conductividad térmica fue simple y los valores extraídos coincidieron estrechamente con los esperados del modelado acústico. Además, las simulaciones electrotérmicas ilustran las condiciones necesarias para lograr una mayor precisión.
Si bien los informes anteriores de mediciones similares carecían de comprensión del mecanismo de la conductividad térmica límite debido a la falta de comparación con las expectativas teóricas, el nuevo análisis de los datos utilizando el esquema propuesto mostró una excelente concordancia con el modelo actual.
Por lo tanto, el presente estudio mostró que los nanocables superconductores preparados para la detección de fotones individuales de alta eficiencia podrían servir como una plataforma prometedora para estudiar los fenómenos de transferencia de calor a nanoescala y facilitar las investigaciones para obtener detectores mejorados.
Relación
danés, un et al. (2022). Puntos calientes de autocalentamiento en nanocables superconductores enfriados por radiación de fonones de cuerpo negro. comunicación de la naturaleza. https://doi.org/10.1038/s41467-022-32719-w
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