超導納米線單光子探測器的性能調控及機理研究中獲進展

　　近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所尤立星團隊與歐欣團隊展開合作，將“萬能離子刀”技術應用于超導納米線單光子探測器（SNSPD）的性能調控和機理研究中。研究發現，使用氦離子（He⁺）輻照誘導的可控缺陷能夠調控SNSPD的物理性能，進而實現對器件探測性能的增強。該技術還可以直接比較輻照引起的超導器件性能變化，有望成為研究超導器件物理的有力工具。相關研究成果于10月17日在線發表于國際學術期刊Phys. Rev. Applied。

　　SNSPD是2001年出現的一種新型的單光子探測器，憑借高探測效率、低暗計數、低時間抖動等性能指標，受到國內外學術界的廣泛關注，在量子通信、量子計算、深空光通信、生物熒光成像等領域發揮著重要作用，有力地推動了量子信息技術和其他前沿科學的發展。

　　2017年，尤立星團隊在國際上首次報道了基于小型閉合循環制冷機，2.1K工作溫度下，NbN-SNSPD系統探測效率（1550nm工作波長）可以超過90%【Science China Physics, Mechanics & Astronomy 60(12): 120314. (2017)】。但是，目前尚沒有報道能直接調控并比較調控前/后SNSPD性能的方法。在該論文中，器件性能的調控機制在于，NbN薄膜中，輻射誘導的空位缺陷會隨著He+輻照通量的增加而增加；進而使NbN的超導能隙、費米能級的電子態密度連續降低；最終導致器件對光子的響應更加靈敏。在1550nm光子波長，5×10¹⁵cm^-2的He⁺通量下，輻照后器件的SDE顯著提高：在2.2 K工作溫度下時，SDE從49％提高到92％；甚至在2.5 K時，SDE仍然能超過90%以上，使得器件可以工作在更高溫度的制冷系統中。在超過1.5年的觀察期內，輻照后的器件展示出良好的長期穩定性，驗證了該方法的實用可行性。

　　該研究結果表明，“萬能離子刀”技術有助于推動SNSPD的研發。特別的，它在放寬器件的膜厚和線寬的加工精度要求、拓展長波光子的飽和探測光譜、改善器件良率等方面具有重要的用途。而且，He+輻照還可以應用于其它超導器件的制造中，比如約瑟夫遜結等的制備中。

　　該論文第一作者為副研究員張偉君，論文通信作者為研究員尤立星、歐欣。該工作獲得國家重點研發計劃項目“高性能單光子探測技術”（2017YFA0304000）、國家自然科學基金（No. 61971409, No. 11622545, No. U1732268, No.61874128, and No. 61851406）以及上海市科委（No. 16JC1400402 and No. 18511110202）等的資助。

（a）SNSPD器件局部放大光學照片、納米線的掃描電鏡照片；（b）離子輻照SNSPD的原理示意圖；（c）氦離子、空位缺陷在器件截面內深度分布的模擬結果；（d）不同輻照通量下，不同器件的輻照前/后的系統探測效率（SDE）vs偏置電流（Ib）的對比結果