南京大学吴培亨院士团队张蜡宝教授等，联合钱学森空间技术实验室、中科院物理所和天津大学等单位，研制出具有高时间精度的超导纳米线X射线单光子探测器。

时间是物理学中的七个基本物理量之一，人类对时间精度测量的极致追求从未停止。人类最早是通过太阳光线的变化来记录时间的，可以记录地球自转一圈是一天，也就是24个小时。奥运赛场上，运动员100米赛跑最快可以小于10秒，这时，记录时间的精度要达到1/100秒，甚至1/1000秒。在现代科技中，对时间精度的要求越来越高。譬如，常用于荧光免疫、荧光探针、细胞染色等领域的荧光染料技术，其荧光寿命大约在0.2到20纳秒范围，此时光子到达时间探测的精度需要达到百皮秒量级甚至更低。在宇宙中，脉冲星具有极其稳定的周期，自转周期变化率达到十的负十九次方，被誉为自然界最精准的天文时钟。对脉冲星导航发出的X射线光子的到达时间进行精确测量，可为未来星际旅行的终极导航奠定基础。目前，现有探测器对单个X射线光子的直接探测的时间分辨率仍停留在百皮秒到微秒量级。因此，研发更高时间精度的X射线单光子探测技术对于基础研究和实际应用均有重要意义。

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种新型单光子探测器技术，其在光波段表现出优异性能，在红外波段单光子探测的时间精度可达十皮秒量级。然而，在X射线波段高时间精度SNSPD未见报道。其难点有：（1）光子吸收难，常规SNSPD的薄膜仅几纳米，对X射线光子吸收极低；（2）物理过程不同，在光波段探测主要是光子-电子相互作用，而在X射线波段同时有光电效应和康普顿效应；（3）器件易闩锁，由于X射线光子能量高，吸收后热量聚集容易导致器件闩锁，无法连续工作。

针对这一重大需求，吴培亨院士带领团队迎难而上。团队历时五年，逐个攻克关键科学和技术难题，研制出国际上首个具有高时间精度的超导纳米线X射线单光子探测器，实现了时间精度为20.1皮秒的X射线单光子探测，并通过研制的两个相邻器件进行差分测量，获得了0.87皮秒的时间精度。图1为研制高时间精度超导X射线单光子探测器。该探测器由约100 纳米厚200纳米宽的高质量氮化铌(NbN)纳米线构成，其光敏面积达到50 μm × 50 μm，提高了X射线吸收效率，且器件本征量子效率达到饱和，使器件可工作在效率对偏置电流不敏感区域，降低了Fano涨落对器件响应时间的影响；通过研制的自动淬灭读出电路抑制了器件闩锁，从而提高了器件的偏置电流，保证了输出信号的信噪比和计数模块的时间精度；借鉴导航定位系统中的差分技术，通过研制双通道器件和差分测量，进一步提高了时间精度。图1a为研制的X射线 SNSPD器件的扫描电子显微镜(SEM)照片，图1b为该器件不同偏置电流下探测X射线光子的时间精度，图1c和1d为研制的双通道结构器件通过差分测量获得的测量时间分布特性。

此外，高时间精度超导X射线单光子探测器在时域天文、医学诊断和晶体学研究等领域具有重要意义。NSR审稿人认为，这是第一个高时间精度超导X射线单光子探测器，并可能引领美好的未来发展（beautiful future developments）。相关成果发表在2023年4月20日上线的《国家科学评论》(National Science Review, NSR) (https://doi.org/10.1093/nsr/nwad102)。0+

南京大学超导电子学研究所研究生郭书亚、谭静柔和季天皓，以及钱学森空间技术实验室张恒彬老师和中科院物理所王进光老师，为本文共同第一作者；南京大学张蜡宝教授、陈健教授和吴培亨院士，以及钱学森空间技术实验室谢军总师和天津大学胡小龙教授，为本文共同通讯作者；吴令安研究员、谢军总师、康琳教授和吴培亨院士对本工作进行了深入指导。陈奇博士、王昊副研究员、涂学凑高工、赵清源教授和贾小氢教授协助制备器件和测量表征工作等。