Nature: 頂刊收割機，又是石墨烯

2020-10-03 研之成理

前言

石墨烯可謂是名副其實的頂刊收割機，上周五剛登上Science，這周四又登上Nature。如果再算上子刊的話，那更是「抬頭不見低頭見」了！今天要介紹的這篇Nature蠻有意思的，是將單層石墨烯同時集成到一個微波諧振器和一個約瑟夫遜結中，製備了一種超薄的石墨烯基約瑟夫森結輻射熱傳感器！

▲第一作者：Gil-Ho Lee通訊作者：Kin Chung Fong

第一單位：Harvard University

DOI：10.1038/s41586-020-2752-4

背景介紹

高靈敏度的微波探測器對射電天文學和超導量子信息科學極為重要。傳統高靈敏的輻射熱測定器主要是通過縮小器件尺寸來增加熱響應。然而，由於表面汙染，在大的表面/體積比（surface-to-volume ratio）的器件中很難獲得有效的光子耦合併保持材料的性質。基於石墨烯的輻射熱測定響應已經在基於噪聲溫度計的器件中進行了測試，但是電子溫度隨光子吸收而升高，導致溫度計靈敏度的降低，嚴重阻礙了器件的性能。

本文亮點

1、將單層石墨烯同時集成到一個微波諧振器和一個約瑟夫遜結中，製備了一種超薄的石墨烯基約瑟夫森結輻射熱傳感器（graphene-based Josephson junction，GJJ）。

2、器件的噪聲等效功率為7*10-19 W/Hz1/2，對應一個32GHz光子的能量。

3、極短的熱時間常數τth賦予了器件比傳統的納米線輻射熱測定器快105倍的操作速度。

4、器件適合在寬光子能量範圍內進行連續的光子傳感。

圖文解析

▲圖1 GJJ器件結構
要點1：GJJ器件為正交的四端器件，中間的單層石墨烯被上下的氮化硼所封裝，與綠色的超導體形成Josephson結。同時。在另外兩端各伸出0.8 μm，並通過特性阻抗為86 Ω的微波傳輸帶與與藍色的諧振器相連接。

要點2：無耗散的Josephson電流可以沿Josephson結的方向流動。而耗散的微波電流則可以沿著垂直於結的方向流動。

▲圖2 GJJ器件轉變電流表徵
要點1：溫度在0.19 K到0.9 K之間時，器件顯示出明顯的遲滯轉變行為。

要點2：Josephson結從無耗散狀態轉變為正常狀態時的轉變電流Is與重捕獲電流Ir不同，主要源於轉變時的焦耳自熱效應（Joule self-heating）。

要點3：隨著溫度的升高，平均轉變電流<Is>下降。

要點4：常態下Josephson結的電阻（Rn）受柵壓影響，電荷中立點為-0.9 V。

要點5：在柵壓為2-3 V時，Rn出現反常上升，源於器件與氮化硼基底形成了莫爾超晶格。

▲圖3 GJJ器件探測效率測量
要點1：作者通過反射測定法對耦合效率進行了測量，諧振器被設計為在7.9 GHz處臨界耦合。

要點2：在-112 dBm的輸入功率下，b圖中平均轉變電流<Is>的線寬與a圖中散射參數相位擬合得到的在柵壓為0.1和1.3 V時負載質量因子分別為9和13時給出的線寬相匹配。

▲圖4 輻射熱測定器的靈敏度和基本波動限制
要點1：提高功率輸入時，0.19 K的電流轉變分布向低值方向漂移。

要點2：當微波輸入功率達到126 fW，0.19 K的轉變電流分布與0.45 K時零功率狀態下的電流分布重合，說明微波輸入功率將石墨烯電子從0.19 K加熱至0.45 K，從而抑制了平均轉變電流<Is>，導致這兩種情況下，GJJ器件具有相同的轉變率。

要點3：隨著輸入功率的上升，平均轉變電流<Is>單調減小。

要點4：計算得出輸入功率對石墨烯電子溫度Te與電子-聲子熱傳導方程高度擬合。

要點5：GJJ器件的噪聲等效功率為0.7 aW Hz-1/2。


原文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2752-4

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