中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)與中國(guó)電子科技集團(tuán)第十三研究所合作，實(shí)現(xiàn)了基于超導(dǎo)體-石墨烯-超導(dǎo)體（SGS）約瑟夫森結(jié)的太赫茲頻段高靈敏度探測(cè)器。近期，相關(guān)研究成果以A terahertz detector based on superconductor-graphene-superconductor Josephson junction為題，發(fā)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(xué)領(lǐng)域觀測(cè)早期遙遠(yuǎn)天體、冷暗天體及被塵埃遮掩而光學(xué)不可見(jiàn)天體等的獨(dú)特“窗口”。在技術(shù)上，太赫茲頻段處于電子學(xué)向光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)域，是有待全面開(kāi)發(fā)的電磁譜段。科研人員不斷嘗試新材料和新技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)背景極限靈敏度的天文探測(cè)。近年來(lái)，基于二維石墨烯材料的高靈敏度探測(cè)器技術(shù)快速發(fā)展，特別是二維石墨烯材料和超導(dǎo)材料相結(jié)合的SGS約瑟夫森結(jié)超導(dǎo)探測(cè)器已在微波波段實(shí)現(xiàn)，并有望拓展到太赫茲譜段，為研制高靈敏度太赫茲超導(dǎo)探測(cè)器開(kāi)辟新途徑。

該研究采用高溫?zé)峤夥ㄍ庋由L(zhǎng)的雙層石墨烯薄膜作為微橋，連接兩個(gè)鈮（Nb）超導(dǎo)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(jié)高靈敏度超導(dǎo)探測(cè)器。當(dāng)石墨烯薄膜長(zhǎng)度縮短至亞微米尺度時(shí)，科研團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到鈮超導(dǎo)電極與石墨烯微橋間臨近效應(yīng)（Proximity effect）導(dǎo)致的約瑟夫森隧穿現(xiàn)象。研究通過(guò)監(jiān)測(cè)石墨烯微橋中因吸收輻射引起的電流變化，即可檢測(cè)太赫茲輻射信號(hào)。科研人員采用低噪聲超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）作為該SGS約瑟夫森結(jié)探測(cè)器的讀出電路，在1.4 THz頻段和0.1-0.6K溫區(qū)測(cè)得光學(xué)噪聲等效功率（NEP）為2.5-5×10-16 W/Hz0.5，達(dá)到了該頻段地面觀測(cè)背景極限探測(cè)靈敏度。該研究首次在太赫茲譜段實(shí)現(xiàn)基于SGS約瑟夫森結(jié)高靈敏度探測(cè)器技術(shù)，拓展了二維石墨烯材料的應(yīng)用方向，為研制天文應(yīng)用大規(guī)模陣列太赫茲探測(cè)器提供新的技術(shù)途徑。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)委優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目等的支持。

太赫茲超導(dǎo)體-石墨烯-超導(dǎo)體約瑟夫森結(jié)探測(cè)器示意圖（左）和不同偏壓下實(shí)測(cè)探測(cè)器靈敏度（光學(xué)噪聲等效功率/NEP）隨環(huán)境溫度變化（右）