首个基于石墨烯的太赫兹超导约瑟夫森结探测器

中国科学院紫金山天文台与中国电子科技集团第十三研究所合作，实现了基于超导体-石墨烯-超导体（SGS）约瑟夫森结的太赫兹频段高灵敏度探测器。近期，相关研究成果以 A terahertz detector based on superconductor-graphene-superconductor Josephson junction 为题，发表在 Carbon 上。

太赫兹频段（0.1-10 THz）介于微波与红外之间，是天文学领域观测早期遥远天体、冷暗天体及被尘埃遮掩而光学不可见天体等的独特“窗口”。在技术上，太赫兹频段处于电子学向光子学的过渡区域，是有待全面开发的电磁谱段。科研人员不断尝试新材料和新技术，以期实现背景极限灵敏度的天文探测。近年来，基于二维石墨烯材料的高灵敏度探测器技术快速发展，特别是二维石墨烯材料和超导材料相结合的SGS约瑟夫森结超导探测器已在微波波段实现，并有望拓展到太赫兹谱段，为研制高灵敏度太赫兹超导探测器开辟新途径。

该研究采用高温热解法外延生长的双层石墨烯薄膜作为微桥，连接两个铌（Nb）超导电极，研制出太赫兹谱段基于二维石墨烯材料SGS约瑟夫森结高灵敏度超导探测器。当石墨烯薄膜长度缩短至亚微米尺度时，科研团队观测到铌超导电极与石墨烯微桥间临近效应（Proximity effect）导致的约瑟夫森隧穿现象。研究通过监测石墨烯微桥中因吸收辐射引起的电流变化，即可检测太赫兹辐射信号。科研人员采用低噪声超导量子干涉仪（SQUID）作为该SGS约瑟夫森结探测器的读出电路，在1.4 THz频段和0.1-0.6K温区测得光学噪声等效功率（NEP）为2.5-5×10^-16W/Hz0.5，达到了该频段地面观测背景极限探测灵敏度。该研究首次在太赫兹谱段实现基于SGS约瑟夫森结高灵敏度探测器技术，拓展了二维石墨烯材料的应用方向，为研制天文应用大规模阵列太赫兹探测器提供新的技术途径。

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太赫兹超导体-石墨烯-超导体约瑟夫森结探测器示意图（左）和不同偏压下实测探测器灵敏度（光学噪声等效功率/NEP）随环境温度变化（右）

研究工作得到国家自然科学委优秀青年科学基金项目、中科院关键技术研发团队项目等的支持。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0008622322009617

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