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          上海微系統所在超導納米線單光子探測器的性能調控及機理研究方面取得重要進展

          2019-11-28

          近日,中科院上海微系统所的尤立星团队与欧欣团队展开合作,将“万能离子刀”技术应用于超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的性能调控和机理研究中。研究发现,使用氦离子(He+)辐照诱导的可控缺陷能够调控SNSPD的物理性能,进而实现对器件探测性能的增强。该技术还可以直接比较辐照引起的超导器件性能变化,有望成为研究超导器件物理的有力工具。相关研究成果于2019年10月17日(北京时间)在线发表在国际权威学术期刊Phys. Rev. Applied杂志上。

          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、低時間抖動等性能指標,受到了國內外學術界的廣泛關注,在量子通信、量子計算、深空光通信、生物熒光成像等領域發揮著重要作用,有力的推動了量子信息技術和其他前沿科學的發展。

          2017年,尤立星研究员团队国际上首次报道了基于小型闭合循环制冷机,2.1 K工作温度下,NbN-SNSPD系统探测效率(1550 nm工作波长)可以超过90%【Science China Physics, Mechanics & Astronomy 60(12): 120314. (2017)】。但是,目前尚没有报道能直接调控并比较调控前/后SNSPD性能的方法。在本论文中,器件性能的调控机制在于,NbN薄膜中,辐射诱导的空位缺陷会随着He+辐照通量的增加而增加;进而使NbN的超导能隙、费米能级的电子态密度连续的降低;最终导致器件对光子的响应更加灵敏。在1550 nm光子波长,5×1015 cm-2的He+通量下,辐照后器件的SDE显着提高:在2.2 K工作温度下时,SDE从49%提高到92%;甚至在2.5 K时,SDE仍然能超过90%以上,使得器件可以工作在更高温度的制冷系统中。在超过1.5年的观察期内,辐照后的器件展示出良好的长期稳定性,验证了该方法的实用可行性。

          本研究結果表明,“萬能離子刀”技術有助于推動SNSPD的研發。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+輻照還可以應用于其它超導器件的制造中,比如約瑟夫遜結等的制備中。

          本论文第一作者为张伟君副研究员,论文通信作者为尤立星研究员、欧欣研究员。本文工作获得了国家重点研发计划项目“高性能单光子探测技术”(2017YFA0304000)、国家自然科学基金(No. 61971409, No. 11622545, No. U1732268, No.61874128, and No. 61851406)以及上海市科委(No. 16JC1400402 and No. 18511110202)等项目资助。

          原文鏈接:https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.044040

          (a)SNSPD器件局部放大光學照片、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深度分布的模擬結果;(d)不同輻照通量下,不同器件的輻照前/後的系統探測效率(SDE)vs偏置電流(Ib)的對比結果

          (來源:中國科學院上海微系統與信息技術研究所)

           

           



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