中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所尤立星團隊與歐欣團隊展開(kāi)合作，將“萬(wàn)能離子刀”技術(shù)應用于超導納米線(xiàn)單光子探測器（SNSPD）的性能調控和機理研究中。研究發(fā)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(jìn)而實(shí)現對器件探測性能的增強。該技術(shù)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(guān)研究成果于10月17日在線(xiàn)發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Phys. Rev. Applied 雜志上。
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(shí)間抖動(dòng)等性能指標，受到國內外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，在量子通信、量子計算、深空光通信、生物熒光成像等領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用，有力地推動(dòng)了量子信息技術(shù)和其他前沿科學(xué)的發(fā)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(huán)制冷機，2.1 K工作溫度下，NbN-SNSPD系統探測效率（1550 nm工作波長(cháng)）可以超過(guò)90%【Science China Physics, Mechanics & Astronomy 60(12): 120314. (2017)】。但是，目前尚沒(méi)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(huì )隨著(zhù)He+輻照通量的增加而增加；進(jìn)而使NbN的超導能隙、費米能級的電子態(tài)密度連續降低；最終導致器件對光子的響應更加靈敏。在1550 nm光子波長(cháng)，5×1015 cm-2的He+通量下，輻照后器件的SDE顯著(zhù)提高：在2.2 K工作溫度下時(shí)，SDE從49％提高到92％；甚至在2.5 K時(shí)，SDE仍然能超過(guò)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(guò)1.5年的觀(guān)察期內，輻照后的器件展示出良好的長(cháng)期穩定性，驗證了該方法的實(shí)用可行性。
該研究結果表明，“萬(wàn)能離子刀”技術(shù)有助于推動(dòng)SNSPD的研發(fā)。特別的，它在放寬器件的膜厚和線(xiàn)寬的加工精度要求、拓展長(cháng)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(diǎn)研發(fā)計劃項目“高性能單光子探測技術(shù)”（2017YFA0304000）、國家自然科學(xué)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。
