近日，南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所（RISE）吴培亨院士团队、赵清源教授课题组在超导纳米线单光子探测器（SNSPD）研究领域取得突破性进展。团队开发了一种基于自热热岛扫描显微镜（HSM）的新型表征方法，首次实现了对超导纳米线中纳米尺度不均匀性的原位、无损、高分辨率可视化与精准定位，成功识别出导致暗计数的主要微观缺陷。该研究成果以Revealing Nanoscale Inhomogeneities in a Superconducting Nanowire through Self-Heating Hotspot Scanning and Mapping为题，发表于国际权威期刊《Nano Letters》（IF=9.1）。
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的性能极大程度上依赖于纳米线的均匀性。即便在纳米尺度出现的微小不均匀，如宽度变化、厚度起伏或电子特性波动等，都可能导致器件暗计数率升高、探测效率下降。然而，传统表征技术难以实现原位、无损且高空间分辨的缺陷检测，限制了此类器件性能的进一步优化。
赵清源教授课题组提出的HSM方法，巧妙利用超导纳米线在激光局部激发下产生的自热热岛，通过扫描并记录电流-电压（IV）特性曲线，实现对不均匀区域的精准“指纹识别”。该方法能够依据IV曲线中出现的锯齿状分支和跳变等特征，反演重构出纳米线等效几何尺寸的分布情况，从而在纳米尺度上可视化缺陷的空间位置。
图 热岛探测显微镜（HPM）系统和基本表征
在研究中，团队在一条12微米长的氮化铌（NbN）超导纳米线中识别出多达50类不同的IV响应曲线类型，揭示出纳米尺度不均匀性存在的普遍性。更突出的是，该方法可将光激发的IV曲线“指纹”与器件的宏观暗计数响应事件关联起来。研究成功定位出三处主要暗计数源（Da、Db、Dc），并精确量化其各自贡献率（54.5%、36.0%和9.5%），其中最近两处间距仅0.7微米，凸显了HSM方法的高空间分辨能力。
图 基于局部热岛IV曲线提取的纳米线不均匀性分析
该项技术为超导纳米线器件的缺陷诊断、工艺优化与性能提升提供了强有力的原位检测工具，有望推动高性能单光子探测器在量子计算、深空通信等前沿应用中的发展。
图 定位暗计数来源
本研究工作第一作者为博士生柳震，通讯作者为赵清源教授，工作获吴培亨院士的指导与支持。涂学凑教授级高工、贾小氢教授、张蜡宝教授、陈健教授和康琳教授等也为研究提供了重要支持。项目受到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、江苏省自然科学基金等多个基金的资助。研究团队一并致谢南京大学超导电子学研究所（RISE）成员在纳米加工与测试方面提供的协助，以及所有参与讨论和提出建议的同行。
论文信息：
Zhen Liu, Qing-Yuan Zhao*, et al. Revealing Nanoscale Inhomogeneities in a Superconducting Nanowire through Self-Heating Hotspot Scanning and Mapping. Nano Lett. 2025, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c03825 链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5c03825