南京大学:中长波红外超导纳米线单光子探测器及其天文应用

红外探测器直接耦合进望远镜等观测平台，对遥远的恒星、星云等进行直接成像，可以帮助探索宇宙本源、观测黑洞、研究星体演化。红外波段特别是中长波红外对天文观测十分重要，由于宇宙尘埃粒子遮蔽了可见宇宙的一部分，但在红外波段尘埃是透明的，能够帮助人类观察可见光波段不能看见的区域，如银河的中心、恒星以及行星正在其中形成的稠密星云；由于宇宙膨胀产生的红移，不可避免地使光子能量向更长波长移动，宽范围的红外探测可以看见宇宙中早期物体的形成过程。

除了星体成像，行星宜居性探测任务引起国内外的广泛重视，很多分子以及固体的发射和吸收带都位于红外区域，所以红外可用于探测天体环境状态。美国 Astro2020 十年调查和欧洲航天局2050年高级委员会报告都确定了低质量温带系外行星的大气特征是未来几十年的科学重点之一。2024年10月中国科学院、国家航天局、中国载人航天工程办公室联合发布了《国家空间科学中长期发展规划（2024-2050年）》，将“宜居行星”探测列为五大科学主题之一，明确了近邻宜居系外行星为前沿研究方向。觅音计划是开展的宜居行星搜寻计划，希望研制日地L2轨道空间分布式合成孔径阵列望远镜，对太阳系近邻的类太阳恒星周围开展系统性搜查，寻找宜居带类地行星并对其开展光谱观测和分析。

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是一种性能优异的可扩展到中长波红外的单光子探测器，十分符合行星宜居性探测等天文观测任务，满足观测物质辐射波段广、信号能量弱、极低暗计数等要求。研究人员首先介绍了SNSPD的主要光响应模型（热点模型），将SNSPD性能参数与天文探测指标之间建立联系。

图1 SNSPD热点模型示意

图2 SNSPD参数及其与天文参数的联系

随后，研究人员概述了SNSPD在中长波红外波段扩展的历程，从材料、工艺、器件结构、光学吸收增强结构、阵列规模等角度分析研究方向和难点。

图3 中长波红外SNSPD发展事件图

图4 SNSPD光学增强吸收结构

图5 SNSPD阵列读出方法

接着，研究人员对SNSPD在天文探测领域中的应用如激光雷达、系外行星光谱检测等进行可行性讨论。最后总结展望了中长波红外SNSPD的发展方向，点出了继续扩展波长、信噪比提升、小型化等仍需解决的问题。目前SNSPD已经在29μm波长处实现了饱和的内量子效率，但距实现百万像素阵列、高探测效率器件仍有较大距离。随着微纳加工技术和制冷技术的进步，得以畅想星载高效中长波SNSPD阵列器件。

总结与展望

总体来说，中长波红外SNSPD已经有了初步探索。从器件本身角度，低能隙超导薄膜材料的研发、均匀纳米线制备、阵列读出方案都取得了一定成果。在应用角度，中长波红外SNSPD具有参与现代天文前沿课题的潜力。回顾历程，中长波红外SNSPD处在初步阶段，未来仍有许多发展方向值得探索。

（1）更长波段

尽管SNSPD已经探测到在29μm处的内量子效率饱和，但中长波红外的范畴极为广阔，扩展波长仍是重要的发展方向。长波段SNSPD的材料选择往往为非晶材料，超导薄膜材料通常使用直流磁控溅射制备，已经开发的非晶WSi薄膜提到增大磁控溅射中Si靶功率提高超导薄膜的电阻率，以寻求更高波长探测的可能。开发新材料高阻率非晶薄膜是重要手段，NJU开发了一种氮掺杂策略以增强超薄非晶态超导体的超导性，厚度为6.0nm的氮掺杂非晶钨(NAW)薄膜的临界温度Tc达到3.1K，可用于中长波红外SNSPD制备。通过调控磁控溅射中气体流速、气压、溅射功率、靶位，以精确控制材料结晶性和速率，为中长波红外SNSPD大规模均匀薄膜制备提供方案。而微纳加工技术和均匀薄膜溅射仪器的进步也为中长波SNSPD需要的窄截面纳米线提供工艺支持。同样可以期待超导纳米线响应在物理原理上的突破，给中长波SNSPD带来物理基础支持。

（2）红外光学增强吸收结构

传统近红外光学腔往往使用介质层加金反射镜、DBR衬底等方案增强光子吸收，其中介质层的厚度往往设计为0.25λ，在中长波红外这个厚度甚至达到微米量级，若考虑中长波红外SNSPD的DBR衬底制备，IBS等制备手段难以生长上层表面粗糙度小于0.2nm的均匀多层介质层。因此，需要设计新型红外光学增强吸收结构。在材料选择上，不应再选取在中长波红外有吸收的SiO2材料，可以使用Si、Ge、BaF2、CaF2、ZnSe等红外材料；微纳结构设计上，借鉴纳米光子学知识，将表面等离激元、陷光结构、全介质超表面等与SNSPD集成，优化单元的形状、尺寸、周期、厚度等参数。

（3）大规模阵列制备及读出

中长波红外SNSPD大阵列是亟需发展的主要目标，是SNSPD在天文领域争取更广泛应用的重要阶段。在器件的研制上，使用电子束光刻长时间制备大规模纳米线容易造成线条均匀性差、缺陷多，可以尝试使用紫外光刻微米线的方式大大降低制备难度与时间。大规模阵列SNSPD的信号处理十分重要但耗费时间和资源，与人工智能的先进算法和信息处理架构相结合，片上加入运算单元，设计完整的片上SNSPD感算架构，减少数据后处理时间。

（4）小型化

天基观测系统的建设十分重要, 这需要可用的机载甚至星载小型化SNSPD探测系统。中长波红外SNSPD对工作温度的要求十分之高，需要能够达到1K以下的制冷系统，但GM制冷机二级温度为2K，国际上已经开发并设计的小型平台应用的液氦杜瓦制冷系统基础温度为4.0K，而制冷效果较好的He3制冷机或者稀释制冷机系统庞大复杂而笨重。为实现SNSPD的航空航天目标，一方面要继续寻找超导转变温度高的薄膜材料，另一方面设计可用的小型化制冷系统，如果达到1K温度的小型制冷机出现，中长波红外SNSPD有机会登上机载平台。

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