在凝聚态物理与前沿光电技术领域，开发兼具高灵敏度与独特分辨能力的新型探测器是一个持续追求的目标。二维电子气体系，特别是复杂氧化物异质界面处形成的二维电子气，因其呈现超导、铁磁等新奇物理性质，为实现这一目标提供了全新的材料平台。其中，对界面超导体在超导态下的光子响应研究，是连接基础物理发现与先进器件应用的桥梁，具有重要价值。
传统超导纳米线单光子探测器的工作原理基于光子破坏库珀对，引发超导-正常态转变，从而产生可探测的电脉冲。然而，这类探测器的输出信号通常是二进制的，难以区分入射光子的数量或总能量。另一方面，在LaAlO₃/KTaO₃（LAO/KTO）等界面超导体中存在的近藤效应，为调控电子输运行为提供了额外的维度。能否将超导态的灵敏性与近藤效应带来的可调性相结合，创造出一种新型的、能够分辨入射光能量的光电探测器，是本项研究致力于解决的核心科学问题。
针对上述挑战，南京大学超导电子学研究所王昊助理教授、张蜡宝教授团队，创新性地设计并制备了一种基于LaAlO₃/KTaO₃(111)界面超导体的微带光电探测器。
研究团队首先在KTO(111)衬底上生长了高质量的非晶LAO薄膜，形成了高质量二维电子气界面（参考图1b及补充材料S1）。随后，通过微纳加工中的“自上而下”工艺（光刻与离子束刻蚀），将界面材料制备成宽度约为30微米的蜿蜒形微带器件（图1c）。该器件在低于0.72 K的温度下呈现清晰超导转变（图1c），电流-电压曲线显示典型回滞特性与开关电流 Isw、回陷电流 Ir（图1d、e），证明了微加工工艺未破坏界面本征的超导属性。
研究的核心突破在于该器件表现出独特的光子响应特性。在可见光（405纳米）至近红外（1310纳米）的宽光谱范围内，当器件被偏置在超导态时，入射光会触发一个电压脉冲响应。最为关键的是，实验发现，在固定激光波长下，脉冲幅度随入射光功率增大而单调减小，并在测量范围内呈良好线性关系（图3c）。这一现象与传统超导单光子探测器有本质区别，标志着该器件具备了一种内禀的能量分辨能力：即通过输出信号的幅度，可以直接反映入射光子的总能量（光功率）。
研究团队通过深入分析，将这种独特的能量敏感特性归因于LAO/KTO界面二维电子气中存在的近藤效应。
其物理机制可概括为（图3）：当光子被器件吸收后，主要产生两种效应。其一，与常规超导探测器类似，光子能量会破坏超导库珀对，在微带中产生一个正常态的“热点”，导致器件发生局部相变并输出信号。其二，也是更关键的一点，光子同时会破坏界面处近藤效应形成的近藤单重态。近藤单重态的破坏增强了巡游电子的传导能力，其效果是降低了“热点”区域的电阻。
因此，总入射光功率越大，被破坏的近藤单重态数量就越多，导致“热点”电阻下降越显著。根据探测电路的原理，最终输出的电压脉冲幅度（Vp = G (Ibias − Ir) × Rload 其中 Rload 随 Rhs 减小而减小）便会随着光功率增加而线性减小。这一基于近藤效应的光电导调制机制，是本研究实现能量敏感探测的理论基础，为开发新型光电探测范式提供了全新思路。
为验证器件的性能与机理，研究团队搭建了低温光电联合测量系统，进行了系统性的表征：
1. 光电调控超导性：变温电阻测量表明，随着入射光功率增大，器件的超导转变被逐渐抑制，出现剩余电阻，直至完全转为正常态（图2b）。电流-电压曲线也显示，开关电流密度随光功率增加而单调下降（图2c, 2d），证实了光子对超导序的有效调控。
2. 宽谱能量敏感响应：在不同波长激光照射下，测量器件输出的脉冲信号。结果表明，从405纳米到1310纳米，脉冲幅度均与光功率密度呈良好线性关系，且斜率基本一致（图3c及补充材料S8）。这一特性证明了其能量分辨能力与波长无关，只取决于总入射光子能量，适用于宽谱探测。
3. 响应信号分析：上升时间约几纳秒，衰减时间常数 τ ≈ 4.07 µs，总恢复时间约10 µs（补充材料S7）。通过分析不同光强下的脉冲波形，直接得到了脉冲幅度与光功率的负相关曲线，为能量敏感特性提供了直观证据。
本工作首次在超导态下利用近藤效应实现了能量敏感光电探测。所研制的探测器成功将宽光谱工作范围与内禀的能量分辨能力相结合，突破了传统超导探测器功能的局限。
这项成果具有双重意义：在基础研究层面，它开辟了利用界面关联电子体系（结合超导与近藤效应）进行光子探测的新路径；在应用技术层面，它为发展下一代高性能光电传感技术提供了新方案。这种兼具高灵敏度与能量分辨能力的探测器，有望在低光照强度光谱分析、量子信息处理中的弱光鉴别等领域发挥独特作用。此外，该工作展示的物理原理可拓展至其他具有强电子关联的二维材料体系，为基于奇异量子态的新型光电器件设计奠定了基础。
图1：器件结构与基本超导电学表征
(a) 界面超导体光电探测器（ISPD）结构示意图，显示在LaAlO₃/KTaO₃(111)界面上制作的蜿蜒形微带。(b) LAO/KTO界面横截面高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）图像，显示约30 nm厚非晶LAO层与晶态KTO衬底之间原子级平整的界面。(c) 器件电阻-温度（R-T）曲线，显示临界温度Tc0 ≈ 0.72 K；插图为器件光学显微镜照片，微带线宽约30 μm。(d) 不同温度下的电流-电压（I-V）特性曲线，展现典型的超导回滞行为：开关电流Isw与回陷电流Ir。(e) 开关电流Isw和回陷电流Ir随温度的变化关系，分别用Ginzburg-Landau理论（实线）和自加热模型（虚线）拟合良好。
图2：光照（1064 nm）对界面超导态的调控
(a) 低温背向光耦合实验示意图：光从KTO衬底背面通过低温双透镜系统聚焦到器件上；右上角为器件光学照片，右下角为实际光斑照片。(b) 不同入射光功率密度下的电阻-温度（R-T）曲线，随光功率增大，超导转变逐渐被抑制，最终出现较大剩余电阻甚至完全进入正常态。(c) 不同光功率密度下的I-V曲线，随光功率增加，开关电流Isw显著减小；高光功率下曲线变为倾斜直线，表明器件已完全转为正常态。(d) 开关电流密度Jsw与入射光功率密度的关系，呈现明显的负相关。
图3：光子响应信号及其能量敏感特性
(a) 测量光子响应脉冲的简化电路示意图（包含偏置T型器、动能电感Lk2、负载电阻R2、放大器和示波器）(b) 1064 nm激光不同光功率密度下器件产生的典型电压脉冲波形，随光功率增大，脉冲幅度显著减小。(c) 宽光谱（405 nm–1310 nm）能量敏感特性：不同波长下，脉冲幅度均与入射光功率密度呈良好线性关系，且斜率基本一致，证明器件响应与波长无关、仅取决于总入射光子能量。
上述研究成果以“An energy-sensitive interfacial-superconductor photodetector”为题，于2023年9月4日正式发表在国际知名期刊《2D Materials》上。
文献来源：
Xiaohan Wang, Qi Chen, Ruxin Liu, Hao Wang*, Xu Zhang, Liang Ma, Yanqiu Guan, Biao Zhang, Haochen Li, Shuya Guo, Zhuolin Yang, Shun-Li Yu*, Xuefeng Wang*, Xuecou Tu, Xiaoqing Jia, Qingyuan Zhao, Jian Chen, Lin Kang, Labao Zhang*, and Peiheng Wu. An energy-sensitive interfacial-superconductor photodetector[J]. 2D Mater. 2023, 10(4): 045021.