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年出现的一种新型的单光子探测器，凭借高探测效率、低暗计数、低时间抖动等性能指标，受到了国内外学术界的广泛关注，在量子通信、量子计算、深空光通信、生物荧光成像等领域发挥着重要作用，有力的推动了量子信息技术和其他前沿科学的发展。
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。
本研究结果表明，“万能离子刀”技术有助于推动SNSPD的研发。特别的，它在放宽器件的膜厚和线宽的加工精度要求，拓展长波光子的饱和探测光谱，改善器件良率等方面具有重要的用途。而且，He+辐照还可以应用于其它超导器件的制造中，比如约瑟夫逊结等的制备中。
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。
原文链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.044040

（a）SNSPD器件局部放大光学照片、纳米线的扫描电镜照片；（b）离子辐照SNSPD的原理示意图；（c）氦离子、空位缺陷在器件截面内深度分布的模拟结果；（d）不同辐照通量下，不同器件的辐照前/后的系统探测效率（SDE）vs偏置电流（Ib）的对比结果
（来源：中国科学院上海微系统与信息技术研究所）