Проекты

Исследование методик отбраковки сверхпроводниковых наноструктур

Работа  призёра открытой городской научно-практической конференции «Курчатовский – проект от знаний к практике, от практики к результату» в секции «Метод»

Направление работы: Новые материалы
Авторы работы: ГБОУ Школа № 2121
Предметы: Физика, Математика, Информатика
Классы: 11 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» 2020 года

Актуальность

Важнейшее направление современной физики – физика сверхпроводимости. Одной из сфер применения явления сверхпроводимости является создание однофотонных детекторов, большинство которых создается на основе тонкой плёнки NbN (нитрид ниобия).

При изготовлении сверхпроводниковых однофотонных детекторов SSPD (Superconducting Single-Photon Detector), не все детекторы в партии получаются с высокой квантовой эффективностью, но по какой причине квантовая эффективность у некоторых детекторов ниже, чем у других?

Поскольку методика измерения квантовой эффективности весьма трудозатратна, необходимо найти более простой метод отбраковки дефектных детекторов.

Цель

Определение оптимального метода сепарации (отбора) детекторов, обладающими наилучшими характеристиками из партии (серии) изготовленных детекторов.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

Измерения проводились на измерительном стенде. При помощи пинцета брался чип детектора и устанавливался на измерительный макет. Макет помещался в транспортный сосуд Дьюара (криостат, вмещающий до 65 литров жидкого гелия).

Измерительный макет. Представляет собой трубку из нержавеющей стали, длиной чуть больше глубины криостата (примерно 1.3 метра), на верхнем конце которой находится разъем для кабеля, а на нижнем держатель для установки образцов и термометр, которые закрывались колпачком. Внутри трубки проложены провода, соединяющие термометр и контакты, куда крепится детектор, с разъемом на верхнем фланце.

Описание

 

В начале исследования автор определил зависимость сопротивления R сверхпроводящей пленки нитрида ниобия от температуры T в диапазоне 300К ÷ 4.2К (Кельвинов). Полученные данные для 4 образцов были обработаны с использованием компьютерной программы и представлены в виде графиков зависимости R(T). Далее автором были проанализировал полученные значения, найдена температура перехода и измерена температуры во время перехода, измерена зависимость силы тока I от напряжения U при температуре жидкого гелия 4.2К (Кельвинов), построены графики зависимости I(U). После проведения экспериментов и анализа полученных данных, была найдена сила тока, соответствующая критическому току.

По результатам исследования зависимости силы тока от напряжения у детектора с наибольшей квантовой эффективностью критический ток почти в два раза выше, чем у детектора с наименьшей квантовой эффективностью, отчего сделан вывод о том, что в детекторе с наименьшей квантовой эффективностью на пленке нитрида ниобия есть зауженные участки, из-за которых критический ток всей структуры ограничивается критическим током зауженного участка.

Результаты работы/выводы

В рамках исследовательской работы был определен оптимальный способ сепарации наилучших детекторов в партии изготовленных сверхпроводниковых однофотонных детекторов.

Предложенный в рамках исследования метод сепарации детекторов – измерение критического тока изготовленных структур, показал свою состоятельность: продемонстрирована прямая зависимость величины критического тока детектора от квантовой эффективности детекторов.

Перспективы использования результатов работы

Сравнительно простая методика измерения критического тока, позволяет выполнить первичную сепарацию детекторов и избежать намного более сложного и трудозатратного измерения квантовой эффективности всех изготовленных детекторов.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Учебно-научный радиофизический центр Института Физики технологии и информационных систем ФГБОУ ВО «МПГУ»

Награды/достижения

2020г. Московский городской конкурс исследовательских и проектных работ обучающихся (победитель секции «Новые материалы»).

2020г. Всероссийский конкурс научных работ школьников «Юниор» НИЯУ МИФИ (участник финального этапа).

Мнение автора

«Участие в Курчатовской конференции – очень важное и нужное для развития исследовательских и коммуникативных умений мероприятие.

Это проверка качества твоего исследования, его объективная оценка независимыми экспертами.  Благодарны, что нашу работу заметили и дали ей высокую оценку члены жюри конкурса»