前沿|吴培亨院士团队研制出国际上首个高时间精度超导X射线单光子探测器

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种新型单光子探测器技术，其在光波段表现出优异性能，在红外波段单光子探测的时间精度可达十皮秒量级。然而，在X射线波段高时间精度SNSPD未见报道。其难点有：（1）吸收难，常规SNSPD的薄膜仅几纳米，对X射线光子吸收极低；（2）物理过程不同，在光波段探测主要是光子-电子相互作用，而在X射线波段同时有光电效应和康普顿效应；（3）器件易闩锁，由于X射线光子能量高，吸收后热量聚集容易导致器件闩锁，无法连续工作。

针对这一重大需求，吴培亨院士带领团队迎难而上。团队历时五年，逐个攻克关键科学和技术难题，研制出国际上首个具有高时间精度的超导纳米线X射线单光子探测器，实现了时间精度为20.1皮秒的X射线单光子探测，并通过研制的两个相邻器件进行差分测量，获得了0.87皮秒的时间精度。图1为研制高时间精度超导X射线单光子探测器。该探测器由约100 纳米厚200纳米宽的高质量氮化铌(NbN)纳米线构成，其光敏面积达到50 μm × 50 μm，提高了X射线吸收效率，且器件本征量子效率达到饱和，使器件可工作在效率对偏置电流不敏感区域，降低了Fano涨落对器件响应时间的影响；通过研制的自动淬灭读出电路抑制了器件闩锁，从而提高了器件的偏置电流，保证了输出信号的信噪比和计数模块的时间精度；借鉴导航定位系统中的差分技术，通过研制双通道器件和差分测量，进一步提高了时间精度。图1a为研制的X射线 SNSPD器件的SEM照片，图1b为该器件不同偏置电流下探测X射线光子的时间精度，图1c和1d为研制的双通道结构器件通过差分测量获得的测量时间分布特性。

图1 高时间精度X射线 SNSPD的SEM照片及性能表征

南京大学超导电子学研究所研究生郭书亚、谭静柔和季天皓，以及钱学森空间技术实验室张恒彬老师和中国科学院物理研究所王进光老师，为该文共同第一作者；南京大学张蜡宝教授、陈健教授和吴培亨院士，以及钱学森空间技术实验室谢军总师和天津大学胡小龙教授，为该文共同通讯作者；吴令安研究员、谢军总师、康琳教授、王华兵教授和吴培亨院士对该工作进行了深入指导。陈奇博士、王昊副研究员、涂学凑高工、赵清源教授和贾小氢教授协助制备器件和测量表征工作等。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划、江苏省高校优势学科计划和江苏省电磁波先进调控技术重点实验室等资助。