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面向空間應用的超導單光子探測技術(shù)研究獲進展
2021年06月02日 09:59:02 來源:理化技術(shù)研究所 點擊量:6433

近日,,中國科學院理化技術(shù)研究所梁驚濤團隊與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星團隊合作,在面向空間應用的超導單光子探測器(SNSPD)技術(shù)領(lǐng)域取得進展,,實現(xiàn)了通信波段最大探測效率93%的新紀錄,,為我國開展基于超導單光子探測器的深空通信、空間量子信息等應用奠定了基礎(chǔ),。

  【化工儀器網(wǎng) 項目成果】近日,,中國科學院理化技術(shù)研究所梁驚濤團隊與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星團隊合作,在面向空間應用的超導單光子探測器(SNSPD)技術(shù)領(lǐng)域取得進展,,實現(xiàn)了通信波段最大探測效率93%的新紀錄,,為我國開展基于超導單光子探測器的深空通信,、空間量子信息等應用奠定了基礎(chǔ)。5月20日(北京時間),,相關(guān)研究成果以《系統(tǒng)探測效率達到93%的基于可空間應用制冷機的超導單光子探測器(Superconducting single-photon detector with a system efficiency of 93% operated in a 2.4 K space-application compatible cryocooler)》為題,,以快報(Letter)形式,在線發(fā)表在Superconductor Science and Technology上,。
 
  超導納米線單光子探測器(SNSPD:Superconducting nanowire single-photon detector)作為高性能的單光子探測器,,廣泛地應用于量子信息、激光雷達,、深空通信等領(lǐng)域,,推動了相關(guān)領(lǐng)域的科技進步。迄今為止,,所有的SNSPD均只在地面實現(xiàn)應用驗證,。如果能在空間應用中采用SNSPD,有望推動空間光學天文觀測,、深空光通信,、空間量子信息等技術(shù)的跨越式發(fā)展。而制約SNSPD空間應用的主要因素是制冷技術(shù),。SNSPD通常需要在液氦(4.2K)以下溫區(qū)工作,,典型的解決方案是采用商用的G-M二級閉合循環(huán)制冷機,。然而,,這類制冷機采用油潤滑壓縮機,冷頭有運動部件,,且受到體積,、重量功耗制約,無法實現(xiàn)空間應用,。
 
  瞄準空間應用對高性能單光子探測技術(shù)的迫切需求,,科研人員發(fā)展面向空間應用的小型液氦溫區(qū)制冷機技術(shù),并期望將其和高性能SNSPD結(jié)合以實現(xiàn)可空間應用的高性能SNSPD系統(tǒng),。2017年1月,,美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)報道基于三級脈管加JT節(jié)流技術(shù)的小型制冷機,其JT的壓縮機尚未成功研制【IEEE Trans on Appl Supercond 27: 9500405 (2017)】,。2017年9月,,英國格拉斯哥大學報道了可空間應用的基于斯特林+JT節(jié)流技術(shù)的小型制冷機,溫度只能達到4.2K,。利用該制冷機實現(xiàn)了SNSPD系統(tǒng),,但性能有限(1310nm波長/暗計數(shù)KHz/探測效率僅20%),與半導體探測器性能相當【Supercond Sci and Tech 30: 11lt01 (2017)】,。理化所梁驚濤團隊和上海微系統(tǒng)所尤立星團隊合作開展面向空間應用的SNSPD系統(tǒng)研發(fā),。理化所研發(fā)出可實現(xiàn)空間應用的二級脈管+JT節(jié)流技術(shù)小型制冷機,,無負載工作溫度可達到2.6K,微系統(tǒng)所研發(fā)了出高性能的SNSPD,。團隊聯(lián)合攻克一系列集成技術(shù)難題后,,實現(xiàn)了1550nm工作波長探測效率超過50%的SNSPD系統(tǒng)【Optics Express 26: 2965 (2018)】,展示了SNSPD相對于傳統(tǒng)半導體單光子探測器在空間應用中的性能優(yōu)勢及潛力,。
 
  2020年,,理化所依托在空間制冷領(lǐng)域的持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新,進一步優(yōu)化制冷機,,降低制冷機的體積和工作溫度,。同時,上海微系統(tǒng)所利用三明治結(jié)構(gòu)超導納米線實現(xiàn)SNSPD 98%的效率紀錄【Optics Express 28: 36884 (2020)】,。雙方在此基礎(chǔ)上再次合作,,實現(xiàn)了最大探測效率93%的可空間應用的超導單光子探測系統(tǒng),刷新了我國保持了兩年多的系統(tǒng)探測效率紀錄,。該成果對于SNSPD的空間應用具有廣泛而深遠的意義,。
 
  上海微系統(tǒng)所博士研究生胡鵬和理化所助理研究員馬躍學為論文第一作者,上海微系統(tǒng)所研究員李浩,、尤立星以及理化所副研究員劉彥杰為論文通訊作者,。研究工作獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金,、上海市科學技術(shù)委員會,、上海市啟明星項目、上海市優(yōu)秀學術(shù)帶頭人計劃,,以及中科院青年創(chuàng)新促進會等的資助,。
 
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