声子是机械波的量子，在固体材料与器件中扮演着重要的角色，决定了固体结构的热容、热导以及光电特性等，同时也对超导量子电路的性能有着不可忽视的影响。研究声子特性并操控声子，是进一步提升超导量子电路性能的可行方案之一。近年来，一种被猜想有非平衡声子参与的栅控超导（GCS）现象，为构建可调的超导量子电路提供了新的视角，但其机制存在争议，且目前仍然缺乏对这类高能声子的有效观测手段。最近，开云足球俱乐部吴培亨院士团队的张蜡宝教授课题组提出使用超导纳米线来直接探测非平衡声子，演示了基于该探测器的非平衡声子统计特性测量，并揭示了GCS现象极性非对称的起源。

图1. 实验设置与器件结构。(a)：实验设置。(b)：探测器输出的离散高速电脉冲。(c)-(e)：不同器件的超导栅极区域结构。

该探测器主要由制备在非晶硅衬底上的蜿蜒纳米线构成，并使用超导栅极作为声子源，如图1所示。由于超导材料的能隙极低，库珀对能够被注入的非平衡声子拆散为准粒子，进而触发超导相变。在纳米线吸收声子后，在大动态电感的作用下，能够将声子诱导的超导相变转化为高速电脉冲，以实现对声子的探测。

通过扫描超导纳米线的偏置电流以及超导栅极的栅极电压，研究人员获得了高速电脉冲计数率的热力图，并观测到了明显的不对称效应，如图2所示。利用信号计数率统计特性研究，以及基于内部到达时间统计的时域统计特性研究，研究人员直接观测并且确认了由泊松注入的非平衡声子和高能电子分别主导的库珀对破对效应以及局部加热效应。

图2. 信号特性研究与作用机制示意图。(a)：计数率随偏置电流和栅极电压变化的热力图。(b)：计数率随偏置电流变化的曲线。(c)-(d)：正向和负向栅压下的信号时域统计特性，黑色实线为时域泊松分布拟合的结果。

在排除直接注入电子的前提下，研究人员将探测器在超导栅极和片上加热器影响下的信号计数率特性进行了对比，如图3所示。结果显示，只有超导栅极发射的非平衡声子能够有效触发探测器，而热声子只会增加探测器的本征暗计数。这说明，非平衡声子的能量尺度大于超导纳米线的超导能隙2Δ~3.53k_BT_c，远大于热声子的能量，且在硅衬底中的平均自由程大于830 nm。

图3. 与热声子作用的对比。(a)：在远端超导栅极影响下的计数率热力图。(b)：在环境温度影响下的计数率热力图。(c)：在片上加热器影响下的计数率热力图。(d)：三种情况下的计数率随偏置电流变化的曲线对比。

基于探测器获得的结果，研究人员演示了对GCS的极性对称性的调控，如图4所示。通过提升工作温度，研究人员使得纳米线本征激发的准粒子浓度增加，从而降低了其对声子的探测灵敏度，同时也削弱了电子导致的局部加热效应。这两个变化使得两种栅压极性下的计数率特性逐步趋于一致，从而改善了正负对称性。此外，研究人员还演示了只有声子作用下的对称性调控。通过改变栅极电压施加的方式，研究人员在相同的栅极结构下构造了不同的能带结构，影响了Fowler–Nordheim隧穿的势垒，进而改变了非平衡声子的能量以及数量，实现了对称栅极结构下对极性对称性的调控。

图4. 极性对称性调控。(a)：4.2 K下的计数率热力图。(b)：不同温度下，超导临界转变电流随栅极功率的变化。(c)：单端接地的情况下，远端栅极作用下的计数率热力图。(d)：正负栅压下的计数率趋势。(e)：远端栅极作用下，信号的时域统计特性。(f)：非对称和对称栅压设置下，栅极漏电流的变化趋势与FN隧穿的拟合结果。

这些结果提供了关于GCS现象起源的直接证据，同时也展示了超导微纳结构中高能声子和高能电子的非平衡作用过程。该研究基于小尺度、低能隙的超导纳米线体系，实现了对非平衡声子的直接探测和离散时间测量。这种探测器为GCS等超导器件物理的研究提供了新的见解，并且是研究超导微纳器件中非平衡动力学的有力工具。其结果能够指导超导量子电路的热管理以及声子工程设计，从而避免准粒子中毒现象的发生，进一步提升其性能。

文章信息：

An incoherent superconducting nanowire phonon detector revealing the controversial gate-controlled supercurrent 

Haochen Li; Labao Zhang; Jingrou Tan; Yanqiu Guan; Zhuolin Yang; Qi Chen; Hao Wang; Xiaoqing Jia; Lin Kang; Peiheng Wu 

Appl. Phys. Lett. 126, 232601 (2025)  

https://doi.org/10.1063/5.0271901

【原文发表于AIPP学术微信公众号】