近日，南京大学吴培亨院士团队张蜡宝教授课题组联合中国计量科学院光学所甘海勇研究员课题组，利用超导单光子探测器的高灵敏度和低噪声优势，研发出可实现亚毫开尔文(sub-mK)温度分辨的红外热辐射探测新技术，且仅需要皮瓦级以下的热辐射功率，为弱光等场景下的高分辨热探测与成像提供了解决方案。相关成果以“Sub-millikelvin-resolved superconducting nanowire single-photon detector operates with sub-pW infrared radiation power”为题，在线发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR) 2025年第一期。
在科幻电影《铁血战士》(Predator)中，外星人正是借助先进的红外热像仪来获得超强夜视能力，从而对达奇的藏身之处实现精准定位。任何绝对温度不为零的物体都会产生红外辐射，且温度不同的两个物体之间的红外辐射存在差异。热探测与成像技术正是通过识别这些差异来达到分辨物体的目的。当今，高分辨红外热探测与成像在森林火灾预警、工业无损检测等诸多领域具有重要的研究和市场价值！随着时代和科技的发展，一些前沿极端领域对这一技术提出了更高的性能需求，迫切需要实现高分辨红外热像遥感与精准定位。比如，卫星海洋遥感技术利用星载平台对海洋温度变化(如水下目标产生的热尾迹在水面造成的微小温差)进行广域监测，是支撑海洋环境信息保障、反演全球气候模型等的重要一环。要实现对海洋温度变化的精准分辨，相关热探测技术的温度分辨率要达到1 mK水平 [2]。在这些前沿领域中，被测目标通常具有极端特性，包括探测距离远或目标尺寸小等。例如，当采用光学口径0.2 m的红外系统探测尺寸为1 m、距离为100 km的目标(~300 K)时，根据普朗克黑体辐射定律计算红外系统接收到的热辐射功率在皮瓦量级。这样的弱光环境迫切需要开发出高灵敏度、低噪声红外高分辨热探测新技术。
高灵敏的红外探测器是实现高温度分辨探测的根本和前提之一。在现有的主流商用红外热探测器中，制冷型探测器相比于非制冷型探测器可以获得更高的温度分辨率，但受限于复杂噪声和低灵敏度，这些探测器的温度分辨率仍主要分布在20 - 40 mK。光子是光能量的基本单位，实现单光子探测是光电探测器的灵敏度的最高水平。与半导体相比，超导体具有高灵敏度和低噪声的本征优势，为极端场景中的极限探测开辟了新的道路。超导纳米线单光子探测器(superconducting nanowire single-photon detector, SNSPD)的超导能隙低(< 5 meV)，其探测波段可覆盖X射线至长波红外，为实现高温度分辨探测提供了理论基础。
研究团队基于优化设计的高灵敏度、低噪声红外SNSPD，提出了一种高温度分辨热探测新技术，实现了pW量级红外辐射功率下的sub-mK温度分辨探测能力，为弱光等极端环境中的高分辨热探测与成像提供了技术支撑。
研究团队分析了光子计数型温度分辨模型。噪声等效温差(noise equivalent temperature difference, NETD)是表征红外探测器的温度分辨能力的关键技术指标，定义了红外探测器能够识别目标的最小温差。NETD越小，温度分辨率越高。常规半导体红外探测器(如碲镉汞，量子点和氧化钒热辐射计等)响应输出模拟信号 (如光电压或光电流)。与之不同的是，SNSPD是一种光子计数型光电探测器，其工作原理如下：施加了偏置电流的超导纳米线在吸收一个光子后会发生超导相变，从超导零阻态跳变为正常高阻态，线上电阻的突变最终导致对外输出一个可被探测的电脉冲信号(图1)。当被测目标温度改变DT时，SNSPD的光子计数率CR的变化量定义为DCR。研究发现SNSPD的噪声为散粒噪声，主要包括光子噪声引起的背景计数和本征暗计数两部分，相应的噪声均方根dn与积分时间τ之间存在关系：dnµ1/τ0.5。由此得到积分时间相关的光子计数型温度分辨模型：
图1 半导体红外器件(左)与SNSPD(右)的探测原理比较
研究团队测量了SNSPD对不同温度黑体源(温度Tb分布在400 - 1000 K)的温度分辨能力(图2)。研究发现，基于较低的本征暗计数，SNSPD的本征NETD可低于0.1 mK，从器件层面展现了超导单光子探测方案的高温度分辨能力。此外，在系统测量中，SNSPD的总噪声由光子噪声引起的背景计数主导，具有良好的时域稳定性并服从Poisson分布，随着积分时间的增大，噪声均方根逐渐减小。在设置Tb = 400、800和1000 K时，在10 s积分时间下可得到相应的NETD分别为1.93 mK、1.76 mK和1.02 mK。研究表明，经过进一步的系统优化，NETD可继续突破到sub-mK量级。在系统优化后设置Tb = 600 K时，得到NETD = 0.65 mK，达到散粒噪声极限水平。积分时间的持续增大会进一步降低NETD，如当积分时间增大4倍时，NETD可降低2倍，这在对静态目标的高温度分辨探测中具有优势。此外，研究团队还发现SNSPD在较宽的电流偏置区间内，温度分辨率均可保持着稳定的极小值，受电路影响小，表明了器件本身具有较高的抗干扰能力。值得注意的是，在探测不同黑体温度时，研究表明SNSPD吸收的红外辐射功率始终分布在0.1 - 1 pW之间。该工作聚焦于SNSPD的高温度分辨能力验证，对实际应用中面临的复杂系统和环境噪声暂未进行深入全面的研究，这也是团队未来的工作布局之一。
图2 基于红外SNSPD的高温度分辨探测技术性能表征
总的来说，研究团队提出了一种基于SNSPD的高温度分辨热辐射探测新技术，研制的SNSPD在pW量级热辐射功率下的探测性能仍可达到散粒噪声极限，NETD突破至1 mK以下，解决了前沿极端环境中实现高温度分辨探测所面临的核心器件难题。
南京大学副研究员陈奇、博士生周飞、魏晨和戴越为论文的共同第一作者。南京大学张蜡宝教授和中国计量科学院光学所甘海勇研究员为共同通讯作者。南京大学吴培亨院士对该研究进行了深入指导。研究由国家自然科学基金、量子科技创新项目、江苏省自然科学基金等资助完成。
【参考文献】
[2] Fulton et al. Low Coseismic Friction on the Tohoku-Oki Fault Determined from Temperature Measurements. Science, 342, 1214-1217 (2013).
