北京
图1：MgB₂薄膜材料晶态、纳米线形貌与正常态-超导态转变
近日，上海微系统所超导电子实验室尤立星、李浩、张孝富团队与北京大学甘子钊、张焱教授团队合作，在高温超导纳米线单光子探测领域取得重要原创突破：首次利用未经氦离子辐照的单晶二硼化镁(MgB₂)高温超导纳米线实现饱和单光子响应。该成果攻克传统高温超导纳米线工艺依赖氦离子辐照的技术壁垒，在无需离子辐照改性的条件下，直接获得稳定、饱和的单光子探测性能，为高温超导单光子探测器(HTc-SSPD)的高可靠、规模化制备开辟全新路径。相关研究成果于7月13日以“High temperature superconducting single photon detectors based on ultrathin MgB2 single-crystalline nanowires”为题发布于学术期刊《Science Bulletin》。
SSPD因其高效率、低暗计数率和优异的时间分辨率，成为量子信息领域的使能技术。上海微系统所在中国科学院战略先导专项、科技部重点研发计划等项目支持下，研制的SSPD器件和系统性能均达到了国际先进水平，并实现产业化。国产SSPD系统已经在我国量子通信和光学量子计算等方面得到了广泛的应用，有效避免了该领域核心探测器的卡脖子问题。然而由于受到传统超导薄膜材料较低的临界温度限制，传统SSPD较低的工作温度日渐成为限制其广泛应用的关键，如何利用高温超导薄膜材料研制HTc-SSPD，从而突破传统SSPD的工作温度瓶颈是当前超导电子学领域的研究热点与科技制高点。
相较于主流多晶 Nb (Ti) N-SSPD 或非晶 W (Mo) Si-SSPD，二硼化镁(MgB₂)具有显著的材料与性能优势：其临界温度约 39K，远高于传统低温超导材料;同时动态电感低、材料本征超导电性鲁棒性强，可有效降低微纳加工工艺对临界温度与临界电流密度的影响，在制备高温、高速单光子探测器方面具备突出潜力，是最具实用化前景的 HTc-SSPD 高温超导材料体系之一。但受材料本征物理特性制约，MgB₂纳米线具有较强的电子–声子相互作用，光子吸收后的能量转化效率较低，形成的局域热点尺寸小，成为限制其本征探测效率的关键。此前国际上如麻省理工学院等团队的研究表明，未经氦离子辐照的 MgB₂纳米线未能观测到单光子响应，仅能观测到热涨落引起的暗计数信号，必须通过辐照引入缺陷才能实现饱和单光子探测。
图2：MgB₂纳米线对780nm光子的饱和单光子响应
针对上述关键科学与技术难题，联合攻关团队发挥协同优势，依托北京大学在高质量单晶 MgB₂薄膜外延生长的材料优势，结合上海微系统所成熟的超导纳米线微纳加工与器件表征平台，系统优化超薄单晶 MgB₂薄膜制备、纳米图形化与器件集成工艺，成功制备出缺陷密度低、晶体取向一致性高的单晶 MgB₂超导纳米线。基于该高质量纳米线结构，团队在不采用氦离子辐照改性的条件下，实现了对 532 nm 至 1550 nm 波段单光子信号的稳定、饱和探测，验证了无辐照工艺路线的可行性。该研究建立了无需氦离子辐照、与半导体微纳工艺全兼容的高温超导单光子探测器制备方案，从材料与工艺源头解决了长期制约 MgB₂基 HTc-SSPD 走向实用化的瓶颈问题。与铜基高温超导体系相比，单晶 MgB₂薄膜可实现大面积外延生长，无需复杂的层状剥离与严苛惰性气体氛围，工艺兼容性更好、良率更易控制，为下一代轻量化、高工作温度、高集成度超导单光子探测系统奠定了重要技术基础。
该论文第一完成单位与通讯单位为中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海微系统所马淼、电工研究所张敏燕为共同第一作者，上海微系统所张孝富研究员与北京大学张焱教授为共同通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划(高性能高温超导薄膜及单光子探测器研制：2023YFB3809600)、科技创新 2030—“量子通信与量子计算机” 重大项目、国家自然科学基金等多项国家级项目资助。
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
