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在欧盟石墨烯旗舰项目资助下,石墨烯的单光子探测器,灵敏度得到显著提高

光子探测器在传感和通信领域用诸多潜在应用,提高单光子探测器的性能一直是科学家们的研究热点。近日,来自美国哈佛大学、西班牙光子科学研究所、美国麻省理工学院、雷神BBN科技公司和韩国浦项大学的研究团队正在进行一项关于使用石墨烯作为材料来检测低能单光子的研究,并提出了一种开发比目前可用探测器更为敏感探测器的新方法。该研究成果发表在Physical Review Applied期刊上。

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图为石墨烯传感器原理示意图

探测原理

目前,大多数光子探测器的探测原理都是依赖单个光子到达传感器时引起的温度升高,当入射光子的频率和能量变低时,这种温度升高的影响也将不可避免的减小。


石墨烯由碳原子的二维原子尺度晶格构成,随着其作为高科技材料的性能和制造方法被更多人所熟知,石墨烯已经成为诸多光电子应用中十分具有吸引力的材料之一。最为重要的是,石墨烯具有非常低的热容量,其电吸收性能和折射特性使其表现出了优异的光电检测能力。


约瑟夫逊结

在新的研究中,研究人员提出了使用约瑟夫逊结中的石墨烯,在约瑟夫逊结结构中,两个超导电极被一个薄的非超导屏障隔开。利用约瑟夫逊结结构制成的电子元件具有特殊的传导特性,使其成为超高速计算机和量子干扰装置使用的“明星”元件。


以石墨烯作为约瑟夫逊结中的阻挡材料,新的基于石墨烯的约瑟夫逊结(GJJ)在冷却至25mK的低温时将允许超电流流过。基于以上条件,当石墨烯层上仅有单个光子时也能引起热量相对显著的上升,这使得器件变得更耐电流,且对电流流动有明显的感知能力。这一变化很容易以电压尖峰的形式被检测出来。


量子极限检测

研究团队还发现,这种效应几乎是瞬间发生,能够快速将吸收的光信号转换成电信号,实现快速复位或读出。


基于以上原理,研究人员能够将该GJJ元件取代原有CMOS传感器,集成到传统的电子平台中,从而提高探测灵敏度,在光子探测器中发挥更为重要的作用。


该团队表示:“我们的研究方法主要利用了单层石墨烯极低电子热容量及其受限制的热导率特性。该系统能够为诸多应用领域提供所需的高灵敏度光子检测,例如光学和微波光子学的量子信息处理应用、单光子分辨成像阵列、射电天文学及低能光子的量子极限检测等应用。


基于石墨烯的CMOS图像传感器

西班牙光子科学研究所是欧盟石墨烯旗舰项目的一部分,欧盟该计划的设立目标是研究石墨烯材料的潜在应用和影响,并在近期宣布了利用集成石墨烯开发的基于CMOS的图像传感器的最新进展。


研究人员Frank Koppens教授表示:“该基于单片CMOS图像传感器的开发是低成本、高分辨率、宽带宽和高光谱成像系统的里程碑。”

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