近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星團(tuán)隊(duì)與歐欣團(tuán)隊(duì)展開合作，將“萬能離子刀”技術(shù)應(yīng)用于超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）的性能調(diào)控和機(jī)理研究中。研究發(fā)現(xiàn)，使用氦離子（He⁺）輻照誘導(dǎo)的可控缺陷能夠調(diào)控SNSPD的物理性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對器件探測性能的增強(qiáng)。該技術(shù)還可以直接比較輻照引起的超導(dǎo)器件性能變化，有望成為研究超導(dǎo)器件物理的有力工具。相關(guān)研究成果于10月17日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Phys. Rev. Applied 雜志上。 

　　SNSPD是2001年出現(xiàn)的一種新型的單光子探測器，憑借高探測效率、低暗計(jì)數(shù)、低時(shí)間抖動(dòng)等性能指標(biāo)，受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，在量子通信、量子計(jì)算、深空光通信、生物熒光成像等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，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(tuán)隊(duì)在國際上首次報(bào)道了基于小型閉合循環(huán)制冷機(jī)，2.1 K工作溫度下，NbN-SNSPD系統(tǒng)探測效率（1550 nm工作波長）可以超過90%【Science China Physics, Mechanics & Astronomy 60(12): 120314. (2017)】。但是，目前尚沒有報(bào)道能直接調(diào)控并比較調(diào)控前/后SNSPD性能的方法。在該論文中，器件性能的調(diào)控機(jī)制在于，NbN薄膜中，輻射誘導(dǎo)的空位缺陷會(huì)隨著He⁺輻照通量的增加而增加；進(jìn)而使NbN的超導(dǎo)能隙、費(fèi)米能級的電子態(tài)密度連續(xù)降低；最終導(dǎo)致器件對光子的響應(yīng)更加靈敏。在1550 nm光子波長，5×10¹⁵ cm^-2的He⁺通量下，輻照后器件的SDE顯著提高：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90%以上，使得器件可以工作在更高溫度的制冷系統(tǒng)中。在超過1.5年的觀察期內(nèi)，輻照后的器件展示出良好的長期穩(wěn)定性，驗(yàn)證了該方法的實(shí)用可行性。 

　　該研究結(jié)果表明，“萬能離子刀”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寬的加工精度要求、拓展長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(yīng)用于其它超導(dǎo)器件的制造中，比如約瑟夫遜結(jié)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(jì)劃項(xiàng)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。 

　　論文鏈接 

　　（a）SNSPD器件局部放大光學(xué)照片、納米線的掃描電鏡照片；（b）離子輻照SNSPD的原理示意圖；（c）氦離子、空位缺陷在器件截面內(nèi)深度分布的模擬結(jié)果；（d）不同輻照通量下，不同器件的輻照前/后的系統(tǒng)探測效率（SDE）vs偏置電流（I_b）的對比結(jié)果