应用物理前沿推介系列No.107 | 南京大学发展超导微结构声子调控新方法提升中红外光子探测

图1 界面声子输运工程示意图。(a)超导纳米线与衬底的声学失配及声子俘获示意图；(b)超导纳米线的I-V特性曲线；(c)不同超导体的开关电流与回滞电流之比随温度的变化规律；(d)声子俘获增强光子探测的示意图。

图2 NAW器件性能测试及分析。(a)几种典型超导纳米线在硅衬底上的边界导热系数β的比较。(b)SNSPD在不同波长下的电流相关归一化光子计数率，黑色虚线为波动模型拟合结果。

针对超导纳米电路集成化过程中的热管理瓶颈，团队设计并研制出MoS₂/NbN 范德华异质结，通过面内快速散热、面外阻断热串扰，把“均匀散热”变成“定向排热”，解决超导电路集成热失控。通过化学溶液沉积与磁控溅射相结合的方法，制备出具有晶圆级均匀性的二硫化钼薄膜，并与氮化铌超导层形成本征各向异性热输运异质结。利用二硫化钼超高的面内热导率和被显著抑制的面外热输运特性，通过范德华界面的声子模式选择性耦合，让非平衡声子沿面内快速耗散，同时有效抑制面外热串扰，将传统无序的热弛豫转化为可控的定向热输运。模拟与实验结果表明，该异质结构使氮化铌超导纳米电路的温度梯度降低约12.5±2.5%，衬底表面温度降低12%，在4 K低温下有效热导率各向异性比达到3，显著提升了超导电路的抗自热能力和温度均匀性。更为重要的是，该范德华集成策略具有普适性，可拓展至多种材料体系，为解决大规模超导量子处理器中的热串扰问题提供了通用的热管理平台，为超导电路的高密度集成奠定基础。

图3 散热路径示意图。(a)传统纳米结构。(b)范德华集成超导异质纳米结构。

图4 器件测试与分析。(a)两种器件沿纳米结构轴向温度变化比较。(b)包含本征MoS₂及引入的部分界面的等效整体温度分布(左)及其在整体纵向温度变化中所占的比例(右)。

这两项成果在多个领域具有应用潜力。在量子计算领域，定向热管理技术可有效抑制量子比特的退相干，提升量子芯片的运行稳定性与集成密度，为容错量子计算的实现奠定基础；声子工程策略则能优化量子比特的相干特性，降低热噪声干扰。在探测技术领域，新型中红外探测器可应用于单分子光谱分析，实现对生物分子振动模式的精准识别；在天文观测中，其高灵敏度特性可助力系外行星大气成分探测；在医疗成像领域，有望实现更安全、更高分辨率的红外成像诊断。

总之，在这一声子工程调控超导纳米电路电热特性的研究中，一方面，通过声子俘获最大化光子能量的利用效率，突破了中红外单光子探测的“能量瓶颈”；另一方面，通过定向热输运实现超导电路的高效热管理，破解了规模化集成的“热瓶颈”，共同构建了超导纳米电路声子工程的全新研究范式。与传统技术相比，声子工程研究均采用本征调控策略，无需引入额外的绝缘层、悬浮膜等外禀结构，兼具制备可行性和器件通用性，既避免了外禀结构带来的界面缺陷和制备复杂度，又为不同超导器件的性能优化提供了通用方案。这一系列突破不仅为超导量子计算的规模化集成提供了关键的热管理技术支撑，也让中红外单光子探测在前沿科学研究和实际工程应用中实现了性能跃升，为量子通信、量子精密测量、天文观测、生物医学成像等领域的发展开辟了新路径。

陈奇副研究员和马良博士生为论文（Physical Review B 2026, 113, 134503）第一作者，尹文蕾博士生、马良博士生和陈奇副研究员为论文（Physical Review B 2026, 113, 134504）第一作者，王昊助理教授和张蜡宝教授为两篇论文通信作者。相关研究工作得到国家自然科学基金、科技创新2030重大项目等项目资助。