近期，南京大學(xué)吳培亨院士團(tuán)隊(duì)張蠟寶教授等，聯(lián)合錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、中科院物理所和天津大學(xué)等單位，研制出具有高時(shí)間精度的超導(dǎo)納米線X射線單光子探測(cè)器。
時(shí)間是物理學(xué)中的七個(gè)基本物理量之一，人類(lèi)對(duì)時(shí)間精度測(cè)量的極致追求從未停止。人類(lèi)最早是通過(guò)太陽(yáng)光線的變化來(lái)記錄時(shí)間的，可以記錄地球自轉(zhuǎn)一圈是一天，也就是24個(gè)小時(shí)。奧運(yùn)賽場(chǎng)上，運(yùn)動(dòng)員100米賽跑最快可以小于10秒，這時(shí)，記錄時(shí)間的精度要達(dá)到1/100秒，甚至1/1000秒。在現(xiàn)代科技中，對(duì)時(shí)間精度的要求越來(lái)越高。譬如，常用于熒光免疫、熒光探針、細(xì)胞染色等領(lǐng)域的熒光染料技術(shù)，其熒光壽命大約在0.2到20納秒范圍，此時(shí)光子到達(dá)時(shí)間探測(cè)的精度需要達(dá)到百皮秒量級(jí)甚至更低。在宇宙中，脈沖星具有極其穩(wěn)定的周期，自轉(zhuǎn)周期變化率達(dá)到十的負(fù)十九次方，被譽(yù)為自然界最精準(zhǔn)的天文時(shí)鐘。對(duì)脈沖星導(dǎo)航發(fā)出的X射線光子的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行精確測(cè)量，可為未來(lái)星際旅行的終極導(dǎo)航奠定基礎(chǔ)。目前，現(xiàn)有探測(cè)器對(duì)單個(gè)X射線光子的直接探測(cè)的時(shí)間分辨率仍停留在百皮秒到微秒量級(jí)。因此，研發(fā)更高時(shí)間精度的X射線單光子探測(cè)技術(shù)對(duì)于基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用均有重要意義。
超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD）是一種新型單光子探測(cè)器技術(shù)，其在光波段表現(xiàn)出優(yōu)異性能，在紅外波段單光子探測(cè)的時(shí)間精度可達(dá)十皮秒量級(jí)。然而，在X射線波段高時(shí)間精度SNSPD未見(jiàn)報(bào)道。其難點(diǎn)有：（1）光子吸收難，常規(guī)SNSPD的薄膜僅幾納米，對(duì)X射線光子吸收極低；（2）物理過(guò)程不同，在光波段探測(cè)主要是光子-電子相互作用，而在X射線波段同時(shí)有光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)；（3）器件易閂鎖，由于X射線光子能量高，吸收后熱量聚集容易導(dǎo)致器件閂鎖，無(wú)法連續(xù)工作。
針對(duì)這一重大需求，吳培亨院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)迎難而上。團(tuán)隊(duì)歷時(shí)五年，逐個(gè)攻克關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)難題，研制出國(guó)際上首個(gè)具有高時(shí)間精度的超導(dǎo)納米線X射線單光子探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間精度為20.1皮秒的X射線單光子探測(cè)，并通過(guò)研制的兩個(gè)相鄰器件進(jìn)行差分測(cè)量，獲得了0.87皮秒的時(shí)間精度。圖1為研制高時(shí)間精度超導(dǎo)X射線單光子探測(cè)器。該探測(cè)器由約100 納米厚200納米寬的高質(zhì)量氮化鈮(NbN)納米線構(gòu)成，其光敏面積達(dá)到50 μm x 50 μm，提高了X射線吸收效率，并且器件本征量子效率達(dá)到飽和，使器件可工作在效率對(duì)偏置電流不敏感區(qū)域，降低了Fano漲落對(duì)器件響應(yīng)時(shí)間的影響；通過(guò)研制的自動(dòng)淬滅讀出電路抑制了器件閂鎖，從而提高了器件的偏置電流，保證了輸出信號(hào)的信噪比和計(jì)數(shù)模塊的時(shí)間精度；借鑒導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的差分技術(shù)，通過(guò)研制雙通道器件和差分測(cè)量，進(jìn)一步提高了時(shí)間精度。圖1a為研制的X射線 SNSPD器件的掃描電子顯微鏡（SEM）照片，圖1b為該器件不同偏置電流下探測(cè)X射線光子的時(shí)間精度，圖1c和1d為研制的雙通道結(jié)構(gòu)器件通過(guò)差分測(cè)量獲得的測(cè)量時(shí)間分布特性。
圖1 高時(shí)間精度X射線SNSPD的SEM照片及性能表征
此外，高時(shí)間精度超導(dǎo)X射線單光子探測(cè)器在時(shí)域天文、醫(yī)學(xué)診斷和晶體學(xué)研究等領(lǐng)域具有重要意義。NSR審稿人認(rèn)為，這是第一個(gè)高時(shí)間精度超導(dǎo)X射線單光子探測(cè)器，并可能引領(lǐng)美好的未來(lái)發(fā)展（beautiful future developments）。相關(guān)成果發(fā)表在2023年4月20日上線的《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review, NSR) 。
南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所研究生郭書(shū)亞、譚靜柔和季天皓，以及錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室張恒彬老師和中科院物理所王進(jìn)光老師，為本文共同第一作者；南京大學(xué)張蠟寶教授、陳健教授和吳培亨院士，以及錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室謝軍總師和天津大學(xué)胡小龍教授，為本文共同通訊作者；吳令安研究員、謝軍總師、康琳教授和吳培亨院士對(duì)本工作進(jìn)行了深入指導(dǎo)。陳奇博士、王昊副研究員、涂學(xué)湊高工、趙清源教授和賈小氫教授協(xié)助制備器件和測(cè)量表征工作等。
該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃、江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科計(jì)劃和江蘇省電磁波先進(jìn)調(diào)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等資助。
論文信息：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwad102
