近期，南京大學吳培亨院士團隊張蠟寶教授等，聯合錢學森空間技術實驗室、中科院物理所和天津大學等單位，研制出具有高時間精度的超導納米線X射線單光子探測器。

時間是物理學中的七個基本物理量之一，人類對時間精度測量的極致追求從未停止。人類最早是通過太陽光線的變化來記錄時間的，可以記錄地球自轉一圈是一天，也就是24個小時。奧運賽場上，運動員100米賽跑最快可以小于10秒，這時，記錄時間的精度要達到1/100秒，甚至1/1000秒。在現代科技中，對時間精度的要求越來越高。譬如，常用于熒光免疫、熒光探針、細胞染色等領域的熒光染料技術，其熒光壽命大約在0.2到20納秒范圍，此時光子到達時間探測的精度需要達到百皮秒量級甚至更低。在宇宙中，脈沖星具有極其穩定的周期，自轉周期變化率達到十的負十九次方，被譽為自然界最精準的天文時鐘。對脈沖星導航發出的X射線光子的到達時間進行精確測量，可為未來星際旅行的終極導航奠定基礎。目前，現有探測器對單個X射線光子的直接探測的時間分辨率仍停留在百皮秒到微秒量級。因此，研發更高時間精度的X射線單光子探測技術對于基礎研究和實際應用均有重要意義。

超導納米線單光子探測器（SNSPD）是一種新型單光子探測器技術，其在光波段表現出優異性能，在紅外波段單光子探測的時間精度可達十皮秒量級。然而，在X射線波段高時間精度SNSPD未見報道。其難點有：（1）光子吸收難，常規SNSPD的薄膜僅幾納米，對X射線光子吸收極低；（2）物理過程不同，在光波段探測主要是光子-電子相互作用，而在X射線波段同時有光電效應和康普頓效應；（3）器件易閂鎖，由于X射線光子能量高，吸收后熱量聚集容易導致器件閂鎖，無法連續工作。

針對這一重大需求，吳培亨院士帶領團隊迎難而上。團隊歷時五年，逐個攻克關鍵科學和技術難題，研制出國際上首個具有高時間精度的超導納米線X射線單光子探測器，實現了時間精度為20.1皮秒的X射線單光子探測，并通過研制的兩個相鄰器件進行差分測量，獲得了0.87皮秒的時間精度。圖1為研制高時間精度超導X射線單光子探測器。該探測器由約100 納米厚200納米寬的高質量氮化鈮(NbN)納米線構成，其光敏面積達到50 μm x 50 μm，提高了X射線吸收效率，并且器件本征量子效率達到飽和，使器件可工作在效率對偏置電流不敏感區域，降低了Fano漲落對器件響應時間的影響；通過研制的自動淬滅讀出電路抑制了器件閂鎖，從而提高了器件的偏置電流，保證了輸出信號的信噪比和計數模塊的時間精度；借鑒導航定位系統中的差分技術，通過研制雙通道器件和差分測量，進一步提高了時間精度。圖1a為研制的X射線 SNSPD器件的掃描電子顯微鏡（SEM）照片，圖1b為該器件不同偏置電流下探測X射線光子的時間精度，圖1c和1d為研制的雙通道結構器件通過差分測量獲得的測量時間分布特性。

圖1 高時間精度X射線SNSPD的SEM照片及性能表征

此外，高時間精度超導X射線單光子探測器在時域天文、醫學診斷和晶體學研究等領域具有重要意義。NSR審稿人認為，這是第一個高時間精度超導X射線單光子探測器，并可能引領美好的未來發展（beautiful future developments）。相關成果發表在2023年4月20日上線的《國家科學評論》(National Science Review, NSR) 。

南京大學超導電子學研究所研究生郭書亞、譚靜柔和季天皓，以及錢學森空間技術實驗室張恒彬老師和中科院物理所王進光老師，為本文共同第一作者；南京大學張蠟寶教授、陳健教授和吳培亨院士，以及錢學森空間技術實驗室謝軍總師和天津大學胡小龍教授，為本文共同通訊作者；吳令安研究員、謝軍總師、康琳教授和吳培亨院士對本工作進行了深入指導。陳奇博士、王昊副研究員、涂學湊高工、趙清源教授和賈小氫教授協助制備器件和測量表征工作等。

該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃、江蘇省高校優勢學科計劃和江蘇省電磁波先進調控技術重點實驗室等資助。

論文信息：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwad102