近日，南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所团队在长波红外超导纳米线单光子探测器（SNSPD） 领域取得重要进展，相关研究成果以《A Silicon Membrane Optical Cavity for Long-Wave Infrared Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors》为题，正式发表于国际权威期刊《ACS Nano》（2025年影响因子16.1），DOI: 10.1021/acsnano.5c20784。
长波红外（5–15 μm）单光子探测技术，是深空天文观测、低温红外光谱、暗物质探测、高精度激光雷达等前沿领域的核心支撑技术。超导纳米线单光子探测器凭借超高灵敏度、极低噪声、超快响应等优势，成为长波红外单光子探测的首选器件。但该方向长期面临两大行业痛点：一方面，为实现长波红外饱和量子效率，超导薄膜需制备至纳米级超薄厚度，原生光吸收能力较弱；另一方面，传统氧化介质材料在长波红外波段存在严重光吸收损耗，加之该波段所需光学腔腔长更大，常规光学腔结构难以适配，极大限制了长波红外 SNSPD 的探测效率与综合性能。
针对上述技术难题，团队另辟蹊径，设计出悬浮硅膜法布里 - 珀罗（FP）光学腔集成方案。研究选用长波红外低损耗硅材料，依托成熟的 SOI 衬底工艺，制备出厚度为 1.65 μm 的悬浮硅膜作为光学腔主体，在纳米线上方依次沉积 600 nm 非晶硅层与 100 nm 金反射镜，构建起高性能光学谐振腔。该方案完美保留了超薄超导薄膜的超导特性，同时大幅提升光子吸收效率，从结构上规避了传统介质腔在长波红外波段的固有缺陷。
在器件制备上，团队采用 5 nm 厚的超薄钨硅（WSi）超导薄膜制备纳米线，将薄膜临界温度降至 2.5 K，器件采用双并联雪崩结构（2-SNAP）设计，并搭配阻抗匹配渐变线，进一步放大探测信号。整套器件可在 7.8–12.5 μm 长波红外区间实现饱和内量子效率，充分证明了超导纳米线的优异薄膜质量与器件工艺的可靠性。
为精准表征器件光谱响应，团队搭建了工作温度低至 300 mK 的长波红外自由空间耦合测试系统，利用可调谐量子级联激光器完成全光谱扫描测试。实验结果显示：该探测器在11.19 μm共振波长处实现 39.7% 的峰值探测效率，与理论设计高度吻合；通过真空屏蔽隔绝室温黑体辐射噪声后，器件背景计数降至 4 次 / 秒（cps），最终获得低至1.06 × 10⁻¹⁹ W·Hz^（-0.5）的噪声等效功率（NEP），展现出顶尖的探测灵敏度。
此外，研究团队结合涨落模型、常规热岛模型、扩散热岛模型开展理论拟合，推算出该款探测器本征截止波长可达约 28 μm，具备向超长波红外波段拓展的巨大潜力。同时研究也指出，目前器件有源面积较小，后续可通过折线纳米线、集成光学天线等方式优化耦合效率；而长波红外普遍存在的室温黑体辐射干扰问题，也可借助光谱滤波、空间滤波、低温屏蔽等手段进一步抑制。
该硅膜光学腔架构兼容性强、工艺成熟，为长波红外乃至超长波红外高性能 SNSPD 提供了全新的通用化设计思路，在地面冷宇宙背景天文观测、低温红外光谱分析、红外量子传感等低背景场景中拥有广阔的应用前景。
该成果邓捷、朱凤婕、秦志为共同第一作者；赵清源教授、范克斌教授、贾小氢教授为共同通讯作者，获吴培亨院士的指导与支持。涂学凑教授级高工、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。本研究得到量子科学与技术国家科技重大专项、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、国家重点研发计划、江苏省电磁波先进调控技术重点实验室等多项项目的大力支持。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
Jie Deng, Feng-Jie Zhu, Zhi Qin et al. A Silicon Membrane Optical Cavity for Long-Wave Infrared Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors. ACS NANO.doi:10.1021/acsnano.5c20784.