Nature: 顶刊收割机，又是石墨烯！

前言

石墨烯可谓是名副其实的顶刊收割机，上周五刚登上Science，这周四又登上Nature。如果再算上子刊的话，那更是“抬头不见低头见”了！今天要介绍的这篇Nature蛮有意思的，是将单层石墨烯同时集成到一个微波谐振器和一个约瑟夫逊结中，制备了一种超薄的石墨烯基约瑟夫森结辐射热传感器！

▲第一作者：Gil-Ho Lee

通讯作者：Kin Chung Fong

第一单位：Harvard University

DOI：10.1038/s41586-020-2752-4

背景介绍

高灵敏度的微波探测器对射电天文学和超导量子信息科学极为重要。传统高灵敏的辐射热测定器主要是通过缩小器件尺寸来增加热响应。然而，由于表面污染，在大的表面/体积比（surface-to-volume ratio）的器件中很难获得有效的光子耦合并保持材料的性质。基于石墨烯的辐射热测定响应已经在基于噪声温度计的器件中进行了测试，但是电子温度随光子吸收而升高，导致温度计灵敏度的降低，严重阻碍了器件的性能。

本文亮点

1、将单层石墨烯同时集成到一个微波谐振器和一个约瑟夫逊结中，制备了一种超薄的石墨烯基约瑟夫森结辐射热传感器（graphene-based Josephson junction，GJJ）。

2、器件的噪声等效功率为7*10^-19 W/Hz^1/2，对应一个32GHz光子的能量。

3、极短的热时间常数τ_th赋予了器件比传统的纳米线辐射热测定器快10⁵倍的操作速度。

4、器件适合在宽光子能量范围内进行连续的光子传感。

图文解析

▲图1 GJJ器件结构

要点1：GJJ器件为正交的四端器件，中间的单层石墨烯被上下的氮化硼所封装，与绿色的超导体形成Josephson结。同时。在另外两端各伸出0.8 μm，并通过特性阻抗为86 Ω的微波传输带与与蓝色的谐振器相连接。

要点2：无耗散的Josephson电流可以沿Josephson结的方向流动。而耗散的微波电流则可以沿着垂直于结的方向流动。

▲图2 GJJ器件转变电流表征

要点1：温度在0.19 K到0.9 K之间时，器件显示出明显的迟滞转变行为。

要点2：Josephson结从无耗散状态转变为正常状态时的转变电流I_s与重捕获电流I_r不同，主要源于转变时的焦耳自热效应（Joule self-heating）。

要点3：随着温度的升高，平均转变电流<I_s>下降。

要点4：常态下Josephson结的电阻（R_n）受栅压影响，电荷中立点为-0.9 V。

要点5：在栅压为2-3 V时，R_n出现反常上升，源于器件与氮化硼基底形成了莫尔超晶格。

▲图3 GJJ器件探测效率测量

要点1：作者通过反射测定法对耦合效率进行了测量，谐振器被设计为在7.9 GHz处临界耦合。

要点2：在-112 dBm的输入功率下，b图中平均转变电流<I_s>的线宽与a图中散射参数相位拟合得到的在栅压为0.1和1.3 V时负载质量因子分别为9和13时给出的线宽相匹配。

▲图4 辐射热测定器的灵敏度和基本波动限制

要点1：提高功率输入时，0.19 K的电流转变分布向低值方向漂移。

要点2：当微波输入功率达到126 fW，0.19 K的转变电流分布与0.45 K时零功率状态下的电流分布重合，说明微波输入功率将石墨烯电子从0.19 K加热至0.45 K，从而抑制了平均转变电流<I_s>，导致这两种情况下，GJJ器件具有相同的转变率。

要点3：随着输入功率的上升，平均转变电流<I_s>单调减小。

要点4：计算得出输入功率对石墨烯电子温度T_e与电子-声子热传导方程高度拟合。

要点5：GJJ器件的噪声等效功率为0.7 aW Hz^-1/2。

原文链接：

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