无电流拥挤效应的超导纳米线单光子探测器：通过局部氦离子辐照实现性能突破

《SCIENCE ADVANCES》：Current crowding–free superconducting nanowire single-photon detectors

本期推荐：SNSPDs因电流拥挤效应导致性能受限的问题长期困扰学界。德国研究团队创新性地采用局部氦离子辐照技术，选择性处理纳米线直线段而保留弯折区，成功研制出无电流拥挤效应的SNSPDs。实验显示经800 ions nm?2辐照的器件饱和平台宽度提升至37%（全辐照仅10%），在780 nm波长下实现94%内探测效率与7 mHz暗计数率的优异表现，为量子计算、深空探测等领域提供革新性检测工具。

　　

在光子探测领域，超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）犹如拥有"火眼金睛"的哨兵，能以近乎完美的效率捕捉单个光子信号。这类器件在量子计算、暗物质搜寻乃至脑科学成像等尖端领域扮演着关键角色。然而，传统SNSPDs的蛇形结构中，电流在180°弯折处会形成"交通堵塞"般的电流拥挤效应（current crowding），导致局部电流密度激增，犹如高速公路的急转弯处容易发生事故。这种现象严重制约了器件的三项核心性能指标：探测效率上限、暗计数率（dark count rate）和定时抖动（timing jitter）。

以往科学家尝试过两种"疏解交通"的方案：优化弯折几何形状或增加弯折区超导体厚度。但这些方法要么牺牲填充因子（fill factor）降低光吸收率，要么因复杂的螺旋结构设计难以实现高密度阵列集成。德国研究团队独辟蹊径，借鉴"精准外科手术"思维，利用氦离子显微镜（He ion microscope）对纳米线直线段实施选择性辐照，犹如只在高速公路的直线路段设置减速带，而保持弯道区域原状。

研究团队在8 nm厚NbTiN薄膜上制备了250 nm线宽、71%高填充因子的SNSPDs阵列。关键技术突破在于：采用30 kV加速电压的氦离子束，以25×15 μm²辐照区域精准覆盖直线段；通过切换不同辐照剂量（60-1400 ions nm^?2）系统研究器件响应；在1 K极低温环境下测试电流-温度特性曲线；采用780 nm和1550 nm双波长光源评估探测性能。

"电流拥挤在低温下的表现"部分揭示：未处理SNSPDs在1 K时开关电流（I_sw）仅为直线纳米线的60%，而局部辐照器件在>90 ions nm^?2剂量后，I_sw曲线与直线纳米线完全重合，证明成功消除弯折效应。"无电流拥挤SNSPDs设计"章节显示：800 ions nm^?2辐照使饱和平台宽度达37%，远超全辐照器件的10%，意味着工作偏置电流可降低21%仍保持饱和探测。"灵敏度增强"部分证实：局部辐照器件在94%内探测效率（internal detection efficiency）时暗计数率仅7 mHz，且1550 nm红外波段同样展现优异性能。

这项研究实现了"一石三鸟"的突破：首先，通过"区域选择性辐照"这一创新方法，首次实现任意几何结构SNSPDs的电流拥挤消除；其次，同步提升的灵敏度使器件能在更低偏置电流下工作，大幅降低能耗与噪声；最重要的是，该技术完全兼容高密度阵列集成，为未来大规模量子光学系统铺平道路。正如作者指出，这项技术特别适用于需要预先氦离子处理的微米级SNSPDs，在深空光通信、暗物质弱信号检测等极限场景展现出独特优势。该成果为下一代高性能单光子探测器树立了新标准，其"精准局部调控"的研究思路也为其他纳米超导器件优化提供了范式转移。