【儀表網 儀表研發】中國科學院紫金山天文臺與中國電子科技集團第十三研究所合作，實現了基于超導體-石墨烯-超導體(SGS)約瑟夫森結的太赫茲頻段高靈敏度探測器。近期，相關研究成果以A terahertz detector based on superconductor-graphene-superconductor Josephson junction為題，發表在Carbon上。
太赫茲頻段(0.1-10 THz)介于微波與紅外之間，是天文學領域觀測早期遙遠天體、冷暗天體及被塵埃遮掩而光學不可見天體等的獨特“窗口”。在技術上，太赫茲頻段處于電子學向光子學的過渡區域，是有待全面開發的電磁譜段?？蒲腥藛T不斷嘗試新材料和新技術，以期實現背景極限靈敏度的天文探測。近年來，基于二維石墨烯材料的高靈敏度探測器技術快速發展，特別是二維石墨烯材料和超導材料相結合的SGS約瑟夫森結超導探測器已在微波波段實現，并有望拓展到太赫茲譜段，為研制高靈敏度太赫茲超導探測器開辟新途徑。
該研究采用高溫熱解法外延生長的雙層石墨烯薄膜作為微橋，連接兩個鈮(Nb)超導電極，研制出太赫茲譜段基于二維石墨烯材料SGS約瑟夫森結高靈敏度超導探測器。當石墨烯薄膜長度縮短至亞微米尺度時，科研團隊觀測到鈮超導電極與石墨烯微橋間臨近效應(Proximity effect)導致的約瑟夫森隧穿現象。研究通過監測石墨烯微橋中因吸收輻射引起的電流變化，即可檢測太赫茲輻射信號。科研人員采用低噪聲超導量子干涉儀(SQUID)作為該SGS約瑟夫森結探測器的讀出電路，在1.4 THz頻段和0.1-0.6K溫區測得光學噪聲等效功率(NEP)為2.5-5×10-16 W/Hz0.5，達到了該頻段地面觀測背景極限探測靈敏度。該研究首次在太赫茲譜段實現基于SGS約瑟夫森結高靈敏度探測器技術，拓展了二維石墨烯材料的應用方向，為研制天文應用大規模陣列太赫茲探測器提供新的技術途徑。
研究工作得到國家自然科學委優秀青年科學基金項目、中科院關鍵技術研發團隊項目等的支持。
太赫茲超導體-石墨烯-超導體約瑟夫森結探測器示意圖(左)和不同偏壓下實測探測器靈敏度(光學噪聲等效功率/NEP)隨環境溫度變化(右)
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