超導納米線單光子探測器(SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector)作為高性能的單光子探測器，廣泛地應用于量子信息、激光雷達、深空通信等領域，推動了相關領域的科技進步。迄今為止，所有的SNSPD均只在地面實現(xiàn)應用驗證。如果能在空間應用中采用SNSPD，有望推動空間光學天文觀測、深空光通信、空間量子信息等技術的跨越式發(fā)展。而制約SNSPD空間應用的主要因素是制冷技術。SNSPD通常需要在液氦(4.2K)以下溫區(qū)工作，典型的解決方案是采用商用的G-M二級閉合循環(huán)制冷機。然而，這類制冷機采用油潤滑壓縮機，冷頭有運動部件，且受到體積、重量功耗制約，無法實現(xiàn)空間應用。
 

　　瞄準空間應用對高性能單光子探測技術的迫切需求，科研人員發(fā)展面向空間應用的小型液氦溫區(qū)制冷機技術，并期望將其和高性能SNSPD結合以實現(xiàn)可空間應用的高性能SNSPD系統(tǒng)。2017年1月，美國國家標準與技術研究院(NIST)報道基于三級脈管加JT節(jié)流技術的小型制冷機，其JT的壓縮機尚未成功研制【IEEE Trans on Appl Supercond 27: 9500405 (2017)】。2017年9月，英國格拉斯哥大學報道了可空間應用的基于斯特林+JT節(jié)流技術的小型制冷機，溫度只能達到4.2K。利用該制冷機實現(xiàn)了SNSPD系統(tǒng)，但性能有限(1310nm波長/暗計數(shù)KHz/探測效率僅20%)，與半導體探測器性能相當【Supercond Sci and Tech 30: 11lt01 (2017)】。理化所梁驚濤團隊和上海微系統(tǒng)所尤立星團隊合作開展面向空間應用的SNSPD系統(tǒng)研發(fā)。理化所研發(fā)出可實現(xiàn)空間應用的二級脈管+JT節(jié)流技術小型制冷機，無負載工作溫度可達到2.6K，微系統(tǒng)所研發(fā)了出高性能的SNSPD。團隊聯(lián)合攻克一系列集成技術難題后，實現(xiàn)了1550nm工作波長探測效率超過50%的SNSPD系統(tǒng)【Optics Express 26: 2965 (2018)】，展示了SNSPD相對于傳統(tǒng)半導體單光子探測器在空間應用中的性能優(yōu)勢及潛力。
 

　　2020年，理化所依托在空間制冷領域的持續(xù)技術創(chuàng)新，進一步優(yōu)化制冷機，降低制冷機的體積和工作溫度。同時，上海微系統(tǒng)所利用三明治結構超導納米線實現(xiàn)SNSPD 98%的效率紀錄【Optics Express 28: 36884 (2020)】。雙方在此基礎上再次合作，實現(xiàn)了最大探測效率93%的可空間應用的超導單光子探測系統(tǒng)，刷新了我國保持了兩年多的系統(tǒng)探測效率紀錄。該成果對于SNSPD的空間應用具有廣泛而深遠的意義。
 

　　上海微系統(tǒng)所博士研究生胡鵬和理化所助理研究員馬躍學為論文第一作者，上海微系統(tǒng)所研究員李浩、尤立星以及理化所副研究員劉彥杰為論文通訊作者。研究工作獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市科學技術委員會、上海市啟明星項目、上海市優(yōu)秀學術帶頭人計劃，以及中科院青年創(chuàng)新促進會等的資助。