超导电子器件与物理

研究背景

在经典光探测与量子光探测系统中，实现对光信号的最大化提取均依赖于高性能的单光子探测器。光电探测的物理本质是光电效应，即光子被吸收后激发光电子，通过读取光电子所引起的电流或电压信号，反演出光的特性。光场的量子化单元为光子，对单光子的探测必须使用单光子探测器。

超导是材料的本征物理属性，不仅是研究凝聚态物理的重要平台，也可用于实现功能各异的电子器件。超导纳米线单光子探测器（superconducting nanowire single photon detector， SNSPD） 是一种性能优异的单光子探测器，其工作原理是：处于偏置电流下的超导纳米线在吸收光子后产生局域正常态区域（热点），改变电路中的电流分布，进而通过低噪声放大器读取电流变化所形成的光脉冲响应。SNSPD具备高探测效率、低暗计数、低时间抖动、高计数率、宽响应波段等优势，已在对灵敏度要求极高的应用中——如量子通信、深空激光通信、量子光源表征等——展现出不可替代的作用。

图注: 典型的超导纳米线单光子探测器SNSPD. (a) 典型的蜿蜒线结构SNSPD；(b) SNSPD等效电路图；(c) 典型的输出脉冲波形

研究内容

本方向以超导纳米线为研究平台，聚焦于介观尺度下超导特性的物理机制与器件实现，重点开展以下研究：

■新型超导纳米线器件设计与集成

超导薄膜的研究、制备与表征：

超导薄膜的研究、制备与表征技术正朝着更高临界温度、更优稳定性和原子级厚度控制的方向快速发展，实验室对超导薄膜的研究重心集中在NbN、TiN、NbTiN、AlN等体系，并采用原子层沉积工艺（ALD）、磁控溅射等先进生长手段，配合

1、超导电学性能—RT曲线测量；

2、电阻率—Van de pau四探针测方阻；

3、厚度与光学特性—椭偏仪；

4、成分—XPS（X射线电子能谱）；

5、密度与结晶度—XRR和XRD（X射线的反射和衍射）；

6、表面粗糙度-AFM（原子力显微镜）测量

等多尺度表征，实现对薄膜结构–性能关系的精准解析。

图注：AFM扫描的三维表面形貌和超导RT特性曲线

器件制备、转移和倒装焊接工艺：

实验室具有经典的超导器件所需的完善的配套设备，课题组成员可以设计并制备出自己的器件进行测试、研究和应用。在此基础上，成员利用微纳加工设备进行工艺上的创新。

图注：器件制备流程、PDMS印章转移、倒装焊接器件和倒装流程

图注：微纳加工中心制备器件

■超导纳米线中的非均匀性与自热效应

利用自热热岛扫描显微(self-heating hotspot scanning microscopy )(HSM)技术，实现对纳米线中局域缺陷与非均匀性的纳米级分辨成像，揭示其对自热电流、临界电流、暗计数等性能参数的影响机制。

图注：热岛探测显微镜（HPM）的搭建及基本特性。（A）HPM 的概念图。（B）反射光下拍摄的光学显微镜图像（C）HPM 低温部件的照片。【Nano Lett. 2025, 25, 38, 14175–14184】

■磁通动力学与光子响应机理

利用Time-Dependent Ginzburg-Landau（TDGL）理论研究偏置电流或外加磁场下超导纳米线中的磁通产生与运动，并考虑磁通运动产生的能量耗散，仿真由磁通到热岛的动态失超过程。根据仿真，研究磁通与热岛的相互作用，模拟在光子探测过程中的触发机制与响应过程。

图注：磁通到热岛的动态失超过程

■超导纳米线器件的多物理场建模与仿真
建立电-热-超导耦合数值模型，模拟光子吸收后的热点演化、电流重分布与脉冲输出过程，为器件结构优化与性能预测提供理论工具。

图注：纳米线热岛变化仿真

应用前景

超导电子器件不仅在单光子探测、量子计算读出、低温计算等方面具有明确且迫切的应用需求，也为研究低维超导系统中的基础物理提供了理想实验平台。通过对纳米尺度下超导物理过程的深入揭示与精准调控，有望发展出更高性能、更大规模、更稳定可靠的超导电子系统，服务于下一代信息科技与量子技术。

图注：吴培亨院士指导实验

招生导向

我们欢迎对超导物理、纳米器件制备、低温光电测量、多物理场仿真、单光子技术等方向有浓厚兴趣的同学加入。课题组具备完整的微纳加工、低温光学测试、量子光电表征与仿真计算平台，提供参与国际前沿课题与合作交流的机会，共同探索超导电子器件的物理机理、性能极限与系统级应用。

图注：器件常温调试

更新人员：柳震、潘瑶瑶、王龙