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

南京大学吴培亨院士团队张蜡宝教授等，联合钱学森空间技术实验室、中科院物理所和天津大学等单位，研制出具有高时间精度的超导纳米线X射线单光子探测器。

时间是物理学中的七个基本物理量之一，人类对时间精度测量的极致追求从未停止。人类最早是通过太阳光线的变化来记录时间的，可以记录地球自转一圈是一天，也就是24个小时。奥运赛场上，运动员100米赛跑最快可以小于10秒，这时，记录时间的精度要达到1/100秒，甚至1/1000秒。在现代科技中，对时间精度的要求越来越高。譬如，常用于荧光免疫、荧光探针、细胞染色等领域的荧光染料技术，其荧光寿命大约在0.2到20纳秒范围，此时光子到达时间探测的精度需要达到百皮秒量级甚至更低。在宇宙中，脉冲星具有极其稳定的周期，自转周期变化率达到十的负十九次方，被誉为自然界最精准的天文时钟。对脉冲星导航发出的X射线光子的到达时间进行精确测量，可为未来星际旅行的终极导航奠定基础。目前，现有探测器对单个X射线光子的直接探测的时间分辨率仍停留在百皮秒到微秒量级。因此，研发更高时间精度的X射线单光子探测技术对于基础研究和实际应用均有重要意义。

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）光子吸收难，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器件的扫描电子显微镜(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

此外，高时间精度超导X射线单光子探测器在时域天文、医学诊断和晶体学研究等领域具有重要意义。NSR审稿人认为，这是第一个高时间精度超导X射线单光子探测器，并可能引领美好的未来发展（beautiful future developments）。相关成果发表在2023年4月20日上线的《国家科学评论》(National Science Review, NSR) (https://doi.org/10.1093/nsr/nwad102)。0+

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科院物理所王进光老师，为本文共同第一作者；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，为本文共同通讯作者；吴令安研究员、谢军总师、康琳教授和吴培亨院士对本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。