研究背景与意义
中红外（mid-IR, 3–8 μm）单光子探测在生物分子光谱分析、天文观测、量子通信等领域具有不可替代的价值。然而，中红外光子能量极低（数百μeV），远低于近红外（eV级），传统半导体探测器（如InGaAs）截止波长难以突破3 μm，且需深冷运行。超导纳米线单光子探测器（SNSPD）凭借超导体低能隙（~meV）与高灵敏度，成为中红外单光子探测最有前景方案。早期NbN SNSPD通过将线宽压至30 nm，将响应扩展至5 μm，但内部效率饱和于3 μm以下；2019年WSi SNSPD实现截止波长9.9 μm，但制备复杂、效率仍待提升。
MoSi非晶超导材料因近红外SNSPD中表现出色（系统效率>98%），且能隙与WSi相当，成为中红外SNSPD理想候选。如何利用Mo₀.₈Si₀.₂实现高内部效率、宽带中红外单光子响应，成为该领域关键挑战。
核心突破：30 nm宽Mo₀.₈Si₀.₂纳米线SNSPD实现5 μm高饱和内部效率
南京大学超导电子学研究所张腊宝教授团队，首次报道基于30 nm宽Mo₀.₈Si₀.₂超导纳米线的中红外SNSPD，在80 mK下实现1.55–5.07 μm全波段高内部检测效率，其中4.26 μm达98%、5.07 μm达97%，噪声等效功率（NEP）达10⁻¹⁸ W/Hz¹/²量级，暗计数率<100 cps。
关键创新
1. Mo₀.₈Si₀.₂非晶薄膜：6 nm厚+3 nm Nb₅N₆保护层，Tc=4.5 K，方阻248.6 Ω/□，兼具低能隙与抗氧化性。
2. 超窄纳米线：线宽30 nm、间距150 nm，显著提升光子诱导Cooper对解耦概率。
3. 自由空间耦合+黑体源：精确标定单光子级响应，内部效率饱和于IB< ISW。
4. 推测10 μm响应：300 K背景辐射计数率饱和，预示更长波段潜力。
实验验证与极致性能
· 内部效率：1.55–4.00 μm快速饱和；4.26 μm 98%；5.07 μm 97%（ISW略增可完全饱和）。
· 量子效率：随波长下降（吸收效率降低），但相对误差小。
· 暗计数率：<100 cps（4 K背景），适合红外观测。
· NEP：10⁻¹⁸ W/Hz¹/²量级，验证超高灵敏度。
· 开关电流：ISW=4.34 μA，接近理论退对电流（79%）。
科学意义与应用前景
1. 首次实现MoSi基中红外SNSPD高饱和效率，证实低能隙+超窄线宽协同策略普适性。
2. 性能媲美/超越WSi：更易制备、抗氧化更好，为中红外SNSPD实用化铺路。
3. 广阔应用：
· 红外天文：低暗计数+高效率，适合空间望远镜；
· 生物光谱：单分子级中红外指纹识别；
· 量子光学：中红外单光子源配对探测；
· 未来升级：光学腔+偏振不敏感设计，可进一步提升吸收效率至10 μm。
图文导读
图1：器件结构表征
(a) Mo₀.₈Si₀.₂薄膜横截面TEM（6 nm厚）。(b) 10 μm×10 μm活性区SEM。(c) 高倍SEM：30 nm宽纳米线均匀性极佳。
图2：内部检测效率与性能参数
(a) 内部效率ginternal vs 偏置电流IB（不同波长），4.26 μm达98%、5.07 μm达97%。(b) 量子效率QE vs 波长（IB=0.9 ISW）。插图：相对误差。(c) 暗计数率DCR vs IB（<100 cps）。(d) 噪声等效功率NEP（10⁻¹⁸ W/Hz¹/²量级）。
论文信息
成果以“Mid-infrared single photon detector with superconductor Mo₀.₈Si₀.₂ nanowire”为题，发表于Science Bulletin（中科院一区，影响因子11.5）
文献来源
Qi Chen, Rui Ge, Labao Zhang*, Feiyan Li, Biao Zhang, Feifei Jin, Hang Han, Yue Dai, Guanglong He, Yue Fei, Xiaohan Wang, Hao Wang, Xiaoqing Jia, Qingyuan Zhao, Xuecou Tu, Lin Kang, Jian Chen, Peiheng Wu. “Mid-infrared single photon detector with superconductor Mo₀.₈Si₀.₂ nanowire” Sci. Bull. 66, 965–968 (2021)