X射线光子所携带的精确时间信息，在天文观测、脉冲星导航、医学影像及超快科学等领域具有至关重要的作用。然而，当前主流的X射线单光子探测器，如光电倍增管、半导体探测器等，其时间分辨率通常局限在百皮秒至微秒量级，难以满足日益增长的高时间精度探测需求。
超导纳米线单光子探测器（SNSPD）在可见光与红外波段已被证明是性能卓越的单光子探测工具，但其在软X射线波段的应用尚处于起步阶段，面临诸多挑战：为高效吸收高能光子需采用更厚的超导薄膜，但这易引发器件“闩锁”而无法连续工作；同时，X射线SNSPD的时间性能此前几乎未被探索，能否实现如红外波段探测器般的皮秒级超高时间精度仍属未知。
南京大学超导电子学研究所吴培亨院士、张蜡宝教授、陈健教授团队，通过材料、器件、电路与测试系统的协同创新，成功研制出具有皮秒级时间分辨率的自由运行式X射线超导纳米线单光子探测器。
研究团队选择100纳米厚的氮化铌（NbN）薄膜作为核心材料。相较于用于红外探测的几纳米薄膜，厚膜可大幅提升对X射线光子的吸收效率；而相比于非晶超导材料，多晶NbN薄膜能承载更高的超流密度，有助于降低时间抖动。针对厚膜器件易“闩锁”的难题，团队独创了低阻抗电压偏置电路，替代传统的恒流源偏置，为热斑弛豫提供了快速泄放通道，从而确保了器件在连续X射线照射下的稳定自由运行。
通过对纳米线形貌（线宽、填充因子）、有源区面积（50 μm × 50 μm）的优化设计，并搭建基于飞秒激光激发靶材的超快X射线泵浦-探测系统，团队首次系统地表征了X射线SNSPD的时间性能。实验表明，最优器件在液氦温度下实现了20.1皮秒的全宽半高时间抖动，这是目前已知X射线单光子探测器的最佳时间分辨率，将现有技术水平提升了约4倍。
为进一步挖掘极限时间精度并剖析其物理机制，团队进行了一系列深入研究。时间抖动与偏置电流、纳米线几何尺寸、X射线光子能量之间的依赖关系被首次完整建立（图2）。分析表明，本工作测得的20.1皮秒总抖动主要受限于本征抖动（约19.4皮秒），而来自电子学噪声、参考探测器等的外在抖动贡献极小（约5皮秒）。
最具颠覆性的成果是团队演示的重复差分时间测量技术。通过使用同一芯片上两个相邻的探测器对同一X射线脉冲进行测量，并分析大量光子事件的到达时间差，团队成功将X射线光子到达时间差的测量精度提升至0.87皮秒（标准差）。该技术巧妙地抵消了激光脉冲抖动、靶材振动等共同噪声源的影响，为诸如X射线脉冲星导航等对绝对时间精度要求极高的应用提供了革命性的解决方案。
此项研究标志着超快X射线光子学迈入了一个新的里程碑，其科学与应用价值重大：
1. 性能极限的突破：将X射线单光子计数的时间精度从百皮秒量级推进至皮秒量级，开辟了超快X射线光子计数的新领域。
2. 技术体系的建立：首次系统揭示了影响X射线SNSPD时间性能的关键因素，形成了从厚膜生长、抗闩锁电路到超快表征的完整技术链条。
3. 广阔的应用前景：
空间科学：亚皮秒级的时间差分测量能力，可极大提升X射线脉冲星导航的定位精度与可靠性。
基础科研：为同步辐射、自由电子激光等大科学装置提供时间分辨率极高的新型探测器，助力揭示原子、分子尺度的超快动力学过程。
高端制造与医学：在时间分辨X射线成像、无损检测及动态医学造影等方面具有潜在应用价值。
图1：X射线SNSPD器件表征与连续光源测试
展示了基于100纳米厚NbN薄膜制备的X射线SNSPD的扫描电镜图、器件结构及在连续X射线源照射下的光子计数率特性，验证了其稳定的单光子响应与自由运行能力。
图2：X射线SNSPD的时间性能研究
通过飞秒X射线泵浦-探测系统，系统测量了时间抖动随偏置电流、有源区面积、纳米线宽度及X射线光子能量的变化规律，揭示了器件几何与工作参数对时间性能的影响。
图3：重复差分时间测量演示
阐释了利用两个相邻探测器进行差分测量以抵消共同噪声的原理，实验数据证实该方法可将X射线光子到达时间差的测量精度提升至亚皮秒量级（0.87 ps）。
上述突破性研究成果以“High-timing-precision detection of single X-ray photons by superconducting nanowires”为题，于2023年4月18日在线发表于我国旗舰期刊《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。
文献来源：
Shuya Guo†, Jingrou Tan†, Hengbin Zhang†, Jinguang Wang†, Tianhao Ji†, Labao Zhang*, Xiaolong Hu*, Jian Chen*, Jun Xie*, Kai Zou, Yun Meng, Xiaomin Bei, Ling-An Wu, Qi Chen, Hao Wang, Xuecou Tu, Xiaoqing Jia, Qing-Yuan Zhao, Lin Kang, Peiheng Wu*. “High-timing-precision detection of single X-ray photons by superconducting nanowires.” Natl Sci Rev 2024; 11: nwad102.