麥姆斯咨詢獲悉，近日，中國科學院上海微系統所超導電子實驗室尤立星、李浩、張孝富團隊與北京大學甘子釗、張焱教授團隊合作，在高溫超導納米線單光子探測領域取得重要原創突破：首次利用未經氦離子輻照的單晶二硼化鎂（MgB?）高溫超導納米線實現飽和單光子響應。該成果攻克傳統高溫超導納米線工藝依賴氦離子輻照的技術壁壘，在無需離子輻照改性的條件下，直接獲得穩定、飽和的單光子探測性能，為高溫超導單光子探測器（HTc-SSPD）的高可靠、規?；苽溟_辟全新路徑。相關研究成果以“High temperature superconducting single photon detectors based on ultrathin MgB? single-crystalline nanowires”為題，發布于學術期刊Science Bulletin。
超導單光子探測器（SSPD）因其高效率、低暗計數率和優異的時間分辨率，成為量子信息領域的使能技術。上海微系統所在中國科學院戰略先導專項、科技部重點研發計劃等項目支持下，研制的SSPD器件和系統性能均達到了國際先進水平，并實現產業化。國產SSPD系統已經在我國量子通信和光學量子計算等方面得到了廣泛的應用，有效避免了該領域核心探測器的卡脖子問題。然而由于受到傳統超導薄膜材料較低的臨界溫度限制，傳統SSPD較低的工作溫度日漸成為限制其廣泛應用的關鍵，如何利用高溫超導薄膜材料研制HTc-SSPD，從而突破傳統SSPD的工作溫度瓶頸是當前超導電子學領域的研究熱點與科技制高點。
相較于主流多晶Nb (Ti) N-SSPD或非晶W (Mo) Si-SSPD，二硼化鎂（MgB?）具有顯著的材料與性能優勢：其臨界溫度約39K，遠高于傳統低溫超導材料；同時動態電感低、材料本征超導電性魯棒性強，可有效降低微納加工工藝對臨界溫度與臨界電流密度的影響，在制備高溫、高速單光子探測器方面具備突出潛力，是最具實用化前景的HTc-SSPD高溫超導材料體系之一。但受材料本征物理特性制約，MgB?納米線具有較強的電子–聲子相互作用，光子吸收后的能量轉化效率較低，形成的局域熱點尺寸小，成為限制其本征探測效率的關鍵。此前國際上如麻省理工學院等團隊的研究表明，未經氦離子輻照的MgB?納米線未能觀測到單光子響應，僅能觀測到熱漲落引起的暗計數信號，必須通過輻照引入缺陷才能實現飽和單光子探測。
針對上述關鍵科學與技術難題，聯合攻關團隊發揮協同優勢，依托北京大學在高質量單晶MgB?薄膜外延生長的材料優勢，結合上海微系統所成熟的超導納米線微納加工與器件表征平臺，系統優化超薄單晶MgB?薄膜制備、納米圖形化與器件集成工藝，成功制備出缺陷密度低、晶體取向一致性高的單晶MgB?超導納米線?；谠摳哔|量納米線結構，團隊在不采用氦離子輻照改性的條件下，實現了對532 nm至1550 nm波段單光子信號的穩定、飽和探測，驗證了無輻照工藝路線的可行性。該研究建立了無需氦離子輻照、與半導體微納工藝全兼容的高溫超導單光子探測器制備方案，從材料與工藝源頭解決了長期制約MgB?基HTc-SSPD走向實用化的瓶頸問題。與銅基高溫超導體系相比，單晶MgB?薄膜可實現大面積外延生長，無需復雜的層狀剝離與嚴苛惰性氣體氛圍，工藝兼容性更好、良率更易控制，為下一代輕量化、高工作溫度、高集成度超導單光子探測系統奠定了重要技術基礎。
圖1：MgB?薄膜材料晶態、納米線形貌與正常態-超導態轉變
圖2：MgB?納米線對780nm光子的飽和單光子響應
該論文第一完成單位與通訊單位為中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海微系統所馬淼、電工研究所張敏燕為共同第一作者，上海微系統所張孝富研究員與北京大學張焱教授為共同通訊作者。研究工作得到國家重點研發計劃（高性能高溫超導薄膜及單光子探測器研制：2023YFB3809600）、科技創新 2030—“量子通信與量子計算機” 重大項目、國家自然科學基金等多項國家級項目資助。
https://doi.org/10.1016/j.scib.2026.07.037
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