480 ℃烙铁自身热辐射的光子被逐个数清，重构出温度分布图像。
如果“看见”意味着接收光子，那么看得越暗，需要的灵敏度就越高。
最近，南京大学超导电子学研究所赵清源教授课题组设计并制备了一种64像元中波红外超导纳米线单光子探测器（SNSPD）阵列：它能把波长3.75 μm、来自480 ℃高温目标自身热辐射的单个光子逐个数清，并重建出目标的轮廓与温度分布。相关工作以《中波红外64像元超导纳米线单光子成像器》为题，已被《物理学报》期刊录用。
01 为什么要“数光子”来看中波红外
中波红外（3–5 μm）覆盖大量分子振动特征和物体热辐射信息，在天文观测、环境监测、红外成像等领域价值很大。但传统中波红外探测器（如碲镉汞、阻挡杂质带探测器）噪声偏高，难以探测单光子级别的弱信号。
超导纳米线单光子探测器以高探测效率、低时间抖动、低暗计数著称，是当前最灵敏的单光子探测技术之一。把它的工作波长推向中波红外，一直是国际前沿难题：波长越长、光子能量越低，纳米线被单个光子“打动”的概率越小。近年非晶WSiₓ材料展现出潜力，但已有成果多停留在单像元层面。
02 64个像元，只用两路读出线
如何在“看得清”的同时“少接线”？团队采用2-SNAP（双纳米线并联）结构作为探测单元，并在像元之间串入超导延迟线：不同位置的像元，脉冲到达器件两端的时间差不同，如同接力赛每棒距离不同、到达终点的时间不同。
凭借这套时空编码架构，64个像元只需两路高速读出通道，就能同时解出“光子打在哪里”和“光子何时到达”，大幅降低大规模阵列的低温互连复杂度和热负载。器件工作在2.25 K，阵列整体面积约160 μm×160 μm，单个像元有效尺寸为400 nm×2 μm。
图1：8×8像元阵列的扫描电镜图像与单个像元结构
03 一组可以“核账”的数字
•相邻像元时间间隔47.2 ps，时间峰半高宽25.6 ps，相邻峰几乎不重叠；
•单光子时间抖动162.5 ps，64个像元响应高度均匀（统计均值0.778、标准差0.047）；
•在1.55–2.25 μm波段实现饱和内量子效率（约99%）；
•波长延伸至3.0、3.5、3.75 μm，内量子效率仍分别达到74%、36%、21%（3.5 μm及以后基于Fano模型外推估算）；
•估计最大计数率约6.9 MHz。
图2：64像元的时空分辨性能测试结果
04 480 ℃的烙铁，成了实验台上的“模特”
为验证实际应用能力，团队搭建自由空间中波红外测试系统，用3.75 μm窄带滤光片接收加热到480 ℃的烙铁自身辐射的光子——全程没有外加照明光源，这正是“被动”成像。
通过扫描振镜逐点采集、按光子计数重建图像，扁头烙铁正放、侧放和尖头烙铁的几何轮廓，以及中心与边缘的温度分布差异，都清晰可辨。这是WSiₓ阵列在中波红外波段完成被动单光子热成像的演示，验证了器件探测弱热辐射光子的能力。
图3：自由空间中波红外单光子测试系统与不同波长下的光子计数率曲线
05 下一步：让阵列“各就各位”
当前实验中，空间扫描由振镜完成，64个像元的并行采样能力尚未被充分利用，主要受低温光学系统聚焦能力与光斑匹配限制。团队指出，后续通过优化WSiₓ薄膜与纳米线结构、改进低温光学耦合、提高阵列填充因子，有望进一步提升中波红外探测效率与光子收集效率，把阵列的并行能力真正释放出来。
这项技术未来有望用于高灵敏中波红外单光子成像、天文观测、红外光谱分析以及弱光热辐射探测等领域。
从“数得清一个光子”到“看得见一片热分布”，超导探测器正在把红外成像的灵敏度推向新的极限。
该研究由南京大学超导电子学研究所联合紫金山实验室、合肥国家实验室完成，得到国家科技重大专项、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等资助。邓捷博士为第一作者；赵清源教授为通讯作者。研究团队一并致谢所有参与讨论和提出建议的同行。
论文信息：
邓捷, 万超, 刘浩, 郝浩, 柳震, 黄洋辉, 涂学凑, 张蜡宝, 贾小氢, 陈健, 康琳, 赵清源📧, 吴培亨. 中波红外64像元超导纳米线单光子成像器[J/OL]. 物理学报, 2027[2026-10-17].
论文链接：
https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/32037.14.aps.76.20261077
