2D Coulomb gas simulations of nanowire superconductors

A superconducting nanowire single-photon detector (SNSPD) is an emerging, and today commercially available technology, for photon-counting and quantum cryptography. Yet, the photon detection event is not fully understood and current modeling efforts require substantial computational resources which motivates studies of simpler models. This thesis introduces a model for vortex dynamics in thin-layered superconductors, such as SNSPDs, using a simplified approach, which leads to a 2D Coulomb gas model where the vortices are modeled as electrostatic charges. The model is carefully constructed from the method of images to describe a wire with open boundary conditions and an applied supercurrent. Subsequently, equilibrium and non-equilibrium properties are sampled with the Metropolis-Hastings algorithm and further analyzed and discussed. The suggested model is shown to be effective and successfully reproduces expected SNSPD behavior; most importantly critical behavior and voltage pulses which are directly measured during detection events. In conclusion, a 2D Coulomb gas model can be a preferred alternative for modeling vortex dynamics in SNSPDs at a small computational cost, motivating further development and studies.
Supraledande nanotråd-enfotondetektorer (SNSPD:er) är en framväxande och idag kommersiellt tillgänglig teknologi som används för räknande av fotoner samt inom kvantkryptografi. Ändå är fotondetektionshändelsen inte helt förstådd och de nuvarande modelleringar kräver substantiell datorkraft vilket motiverar studier av enklare modeller. Det här examensarbetet introducerar en model för vortexdynamik i tunnskiktade supraledare såsom SNSPD:er genom ett förenklat tillvägagångssätt som leder till en 2D Coulombgas-modell där ett vortex modelleras som en elektrisk laddning. Modellen är noggrant konstruerad med öppna randvillkor och den så kallade frysta spegelbildsmetoden samt en pålagd superström. Då samlas mätvärden in på jämvikts- samt icke-jämviktsegenskaper hos systemet som vidare analyseras, jämförs och diskuteras. Den föreslagna modellen visas vara effektiv och reproducerar framgångsrikt förväntat beteende hos SNSPD:er; framför allt kritiskt beteende och spänningstoppar som direkt uppmäts i en fysisk detektionshändelse. Sammanfattningsvis, kan en 2D Coulombgas-modell vara ett föredraget alternativ för att modellera vortexdynamik hos SNSPD:er för en liten beräkningskostnad, vilket motiverar fler studier av detta.