高性能超導相變邊緣單光子探測器助力天文觀測|焦點消息
時間：2023-06-25 13:28:24
超導相變邊緣探測器（TES）具有極高的探測靈敏度，在可見光/近紅外波段具有光子數分辨能力，在X射線等高能波段能量分辨率極高。與前述的半導體探測器（硅基CCD、InSb、HgCdTe等）比較，超導TES探測器的探測效率更高，響應速度更快，暗計數更低，能量分辨率更高，在可見光/近紅外時域天文觀測中具有獨特的優勢。
據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院紫金山天文臺和中國科學技術大學天文與空間科學學院的聯合科研團隊在《光子學報》期刊上發表了以“高性能超導相變邊緣單光子探測器（特邀）”為主題的文章。該文章第一作者為李佩展，通訊作者為張文研究員和史生才院士，張文主要從事太赫茲超導熱電子混頻器（HEB）技術、太赫茲超導相變邊緣探測器（TES）技術、超導相變邊緣單光子探測器技術、超導TES探測器陣列多路復用讀出技術的研究工作。
(資料圖片僅供參考)
本文詳細研究了鈦膜的特性調控機制，拓展了二流體模型獲得了超導TES單光子探測器的關鍵參數。進一步優化了光學腔體的設計和器件制備工藝，并改進測量系統，從而成功研制出了高性能超導TES單光子探測器，系統探測效率超過90%，最低能量分辨率僅為0.26 eV，滿足時域天文觀測和量子信息領域的應用需求。
超導TES單光子探測器的工作原理
如圖1（a）所示，超導相變邊緣探測器是一種熱探測器，由吸收體（熱容C）、弱熱連接（熱導G）和熱沉（溫度Tb）組成。當吸收能量為Eγ的入射光子后，超導TES探測器的電子溫度（T）升高。超導TES探測器恒壓偏置在超導轉變區，電子溫度的變化引起超導TES電阻R（T，I）的變化，進而流經TES的電流（I）發生改變。經超導量子干涉儀（SQUID）電流放大器放大后，由室溫電子學讀出，可獲得入射光子的能量。
圖1 超導TES探測器的原理圖和照片
可見光/近紅外波段的超導TES單光子探測器結構如圖1（b）所示，吸收體和溫度計為同一層超導薄膜，通過電子-聲子之間的弱相互作用實現弱熱連接的同時可以降低熱容從而提高?EFWHM。為此，一般選擇低臨界溫度（TC<1K）的超導材料，如單層鎢、單層鈦或者鈦金雙層膜等，直接在介質基板上制備一層超導薄膜，通過剝離或者刻蝕工藝形成小面積的有效區域，最后利用更高臨界溫度的超導材料（如鋁或者鈮）形成電極。
超導鈦膜的特性調控
采用電子束蒸發在單晶硅基板上制備超導鈦膜，測量其應力、面電阻（RS）及TC。所有樣品都表現出壓應力，并且隨著沉積速率的增加壓應力逐漸減小。當沉積速率高于1 nm/s時，壓應力基本上保持不變。RS隨著沉積速率增加而降低，當沉積速率超過0.1 nm/s后RS基本保持不變。因此，研制超導TES單光子探測器時沉積速率選擇為1~1.5 nm/s。超導鈦膜的TC和RS具有很強的厚度（d）相關性。隨著厚度的增加TC升高，RS降低。但是這兩個參數還受其他因素的影響，導致數據呈現出一定的離散性。如圖2所示，擬合曲線與實測結果完全吻合，dTC隨著RS的增加而減小。據此可以預計鈦膜的臨界溫度有助于改進鈦膜TC的控制精度并提高制備工藝的一致性和重復性。
圖2 制備的超導鈦膜dTC隨RS的變化曲線
針對制備好的超導TES單光子探測器，為了精確調控其TC從而實現高能量分辨率，本文提出了一種烘烤后處理工藝：將樣品置于常規烤箱中，在設定的溫度下烘烤。通過高溫烘烤，鈦膜表面會氧化從而降低有效厚度，致使TC降低。進一步定量研究了烘烤對Ti膜和TiAu雙層膜TC的調控作用：1）固定烘烤溫度（Tbaking），2）固定烘烤時間（tbaking）。如圖3所示，Ti膜和TiAu雙層膜的TC隨著烘烤溫度和烘烤時間的增加而逐漸降低。
透射電子顯微鏡觀察發現烘烤后TiOx層的厚度略大于烘烤前，而且能量色散X射線譜表明烘烤后的氧峰寬度略大于烘烤前，表明鈦膜表面由于烘烤而氧化。氧化層并不超導，其厚度為2~5 nm，對吸收的影響可以忽略不計。此外，Ti膜和TiAu雙層膜的常溫電阻基本保持不變，但是TC隨著時間自然老化而降低，其變化規律與隨烘烤時間降低類似。該研究提供了一種靈活方便的方法實現光子數可分辨的高效率超導TES單光子探測器。
圖3 Ti膜和TiAu雙層膜臨界溫度隨烘烤時間和烘烤溫度的變化曲線
超導TES單光子探測器的傳熱機制及建模
制備了超小有效面積（1 μm×1 μm）的超導TES單光子探測器，表征其電/熱特性。實測G和估計的τeff表明除了聲子擴散制冷機制之外，電子擴散制冷機制也具有很大的貢獻。超小面積的超導TES單光子探測器具有高靈敏度、快速和低熱容的特點，適合于天文觀測中的功率探測和要求光子數分辨能力的量子信息等領域。
將相滑移系數近似為連續變化的參數從而拓展二流體模型，成功提取了超導TES單光子探測器的α和β（如圖4（a）所示），計算的電流-電壓曲線和脈沖響應曲線與實測結果完全吻合，證明了拓展二流體模型的有效性。在此基礎上，表征了不同尺寸的超導TES單光子探測器的主要參數，并分析了其主要參數的變化規律。考慮了其他噪聲對能量分辨率的貢獻，引入噪聲因子（M），理論計算了超導TES單光子探測器的?EFWHM，獲得了?EFWHM與器件尺寸和TC的相關性。如圖4（b）所示，表明器件尺寸為20 μm×20 μm，TC低于170 mK可以同時獲得高探測效率和高?EFWHM，為后續優化器件指明了方向。
圖4 超導TES單光子探測器的溫度和電流靈敏度系數及能量分辨率
1550 nm波段高性能超導TES單光子探測器
制備了基于鈦膜的超導TES單光子探測器，表征了其電阻轉變特性和電流-電壓特性。實測的G與有效面積成正比。
為了獲得超導TES單光子探測器的高吸收效率從而實現高探測效率，在超導TES單光子探測器研制中需要集成光學腔體。光學腔體由介質反射鏡、超導薄膜和防反射層組成。各層薄膜尤其是鈦膜折射率的精確值對于設計光學腔體尤為重要。我們采用光學橢偏儀研究了超導鈦膜的折射率及其在整個基板上的分布均勻性。發現超導鈦膜在光學波段的折射率與文獻一致，但在近紅外波段折射率隨著波長依然緩慢增加。此外，在硅基板上制備的超導鈦膜一致性較好，但是表面形成約3 nm厚的氧化層。在此基礎上設計了1550 nm波段的光學腔體。如圖5（a）所示，介質反射鏡和防反射層分別由8個周期和2個周期的SiO?和Ta?O?交替堆疊組成。介質反射鏡每層的厚度為1/4波長，而防反射層每層的厚度通過優化確定，保證在1550 nm波長的高效吸收。測量結果表明集成光學腔體后吸收效率達（ηabsorption）到95%。隨后研制了集成1550 nm光學腔體的超導TES單光子探測器。鍍防反射層后，G降低為60 pW/K，實測的τeff為5.9 μs，系統能量探測效率達到40%。
圖5 1550 nm波段超導TES單光子探測器的光學腔體和響應高度直方圖
進一步優化并制備了1550 nm光學腔體，精確控制各層薄膜的厚度，ηabsorption超過95%。同時將鈦膜的厚度降低到22 nm，器件尺寸為20 μm×20 μm，遠遠大于單模光纖的光斑，保證耦合效率接近100%。在此基礎上，進一步優化了超導TES單光子探測器的測試系統，增加了光纖屏蔽，并在低溫下將光纖繞成直徑為35 mm的圓圈（圈數為10），形成長波濾波器，阻止紅外光輻射。選擇小尺寸器件（5 μm×5 μm），提高超導TES單光子探測器的電流響應率，ΔEFWHM僅為0.26 eV，系統探測效率為36%，暗計數為4±2 cps，同樣可分辨至少12個1550 nm光子，從而實現了低暗計數的超導TES單光子探測器。
可見光波段超導TES單光子探測器
在超導TES單光子探測器制備過程中集成了850 nm光學腔體，鈦膜厚度為53 nm，成功研制了可見光波段的超導TES單光子探測器。器件TC為400 mK，正常態電阻（Rn）為13 Ω。通過紅外顯微鏡和精密二維移動平臺實現SM800單模光纖（模場直徑為5.6 μm）與超導TES單光子探測器的精確對準。采用脈沖激光器作為光源，通過光衰減器將每個脈沖中的光子數衰減到小于一個光子，利用數字示波器記錄響應波形。在300 mK環境溫度，器件偏置在0.74Rn，對應單光子、雙光子和三光子的情況分別記錄了響應波形。如圖6（a）所示，響應高度隨著光子數的增加而升高，表明超導TES探測器具有光子數分辨能力。隨后利用數據采集卡采集信號高度，對響應高度進行統計分析得到響應高度分布直方圖。結果表明器件工作在300 mK，ΔEFWHM為0.75 eV，ηsys為13%，至少可以分辨10個850 nm光子。研制的850 nm波段超導TES單光子探測器提供給中國計量科學研究院光學與激光計量科學研究所，應用于具有光子數分辨能力的單光子輻射基準測量裝置（如圖6（b）所示），服務于光子精密測量與光輻射計量基準技術研究。
圖6 超導TES單光子探測器的多光子響應及單光子輻射基準測量裝置
結論
高靈敏度超導探測器是天文研究的重要探測器之一。在可見光/近紅外波段，超導TES單光子探測器在探測效率、能量分辨率、可分辨光子數、暗計數等方面具有明顯的優越性，在研究微弱天體信號源和快速時變源方面可以最大限度地獲取光子信息。我們詳細研究了鈦膜的特性和臨界溫度調控機理，拓展了二流體模型提取了超導TES單光子探測器的關鍵參數，理論計算了臨界溫度與能量分辨率的依存性。在此基礎上，集成光學腔體并研制了基于鈦膜的超導TES單光子探測器，系統探測效率大于90%，可分辨至少10個1550 nm光子。研制的超導TES單光子探測器響應時間為微秒量級，可滿足高時間分辨天文觀測的需求。未來將研制超導TES單光子探測器陣列滿足天文觀測成像需求，同時為量子信息、生物成像、光子精密測量等領域提供高靈敏度的探測手段。
這項研究獲得國家重點研發計劃（2017YFA0304003、2020YFC2201703）、國家自然科學基金（U1831202、U1731119、U1931123、11773083、11873099）、中科院項目（XPB2303、QYZDJ-SSWSLH043、GJJSTD20180003）和江蘇省333工程（BRA2020411）的資助和支持。
DOI: 10.3788/gzxb20235205.0552201
