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，在国际上率先实现了基于超导体-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。相关研究成果以“A terahertz detector based on superconductor-graphene-superconductor Josephson junction”为题近期在线发表于国际碳材料期刊《Carbon》。
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、冷暗天体以及被尘埃遮掩导致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，是一个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得到快速发展，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的途径。
紫金山天文台领衔开展的该项研究采用了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，研制出太赫兹谱段首个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到亚微米尺度时，成功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。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。研究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，达到该频段地面观测背景极限探测灵敏度。该项研究是国际上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，研究成果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了新的技术途径。
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）
论文的第一作者兼通讯作者为紫金山天文台毫米波和亚毫米波技术实验室缪巍研究员。该项研究得到国家自然科学委优秀青年科学基金项目、中国科学院关键技术研发团队等项目的支持。（来源：中国科学院紫金山天文台）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.11.040
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