石墨烯传感器可检测超灵敏微波

微波被广泛应用于科学和技术领域，包括移动通信、雷达和天文学。最近，人们积极开展了探测的研究微波具有极高灵敏度的下一代量子技术，比如量子计算和量子通信。

目前，微波功率可以用测辐射热计来检测。测辐射热计通常由三种材料组成:电磁吸收材料，一种将电磁波转化为热的材料，以及一种将产生的热转化为电阻的材料。测辐射热计利用电阻的变化来计算电磁波的吸收量。在辐射热计中使用以半导体为基础的二极管，如硅和砷化镓，最先进的商用辐射热计在室温下工作时的灵敏度被限制在1纳瓦(一瓦的十亿分之一)平均每秒。

研究组在材料和结构方面进行了革新，突破了这一局限。首先，研究小组使用石墨烯作为吸收电磁波的材料。石墨烯由一层碳原子组成，具有非常小的电子热容。小的热容意味着即使吸收的能量很少，也会引起很大的温度变化。微波光子的能量非常少，但如果被石墨烯吸收，它们可以引起相当大的温度上升。问题是石墨烯的温度升高很快就会冷却，因此很难测量这种变化。

为了解决这个问题，研究小组采用了设备叫做约瑟夫森枢纽。这种量子器件由超导体-石墨烯-超导体(SGS)组成，可以通过电过程检测10皮秒(1万亿分之一秒)内的温度变化。这使得检测石墨烯的温度变化和由此产生的电阻成为可能。

结合这些关键成分，研究人员达到了1 aW/Hz1/2的等效噪声功率，这意味着该设备可以在一秒内分解1 aW(1万亿瓦特)。主导该研究的浦项工科大学李吉镐教授表示:“此次研究确立了下一代量子器件的可扩展技术，具有重大意义。”他还解释说:“这项研究开发了一种测辐射热计技术，可以测量单位时间内吸收多少微波光子。但目前，我们正在开发一种单光子探测技术，可以区分每个微波光子。”

他总结道:“我们希望这项技术能最大限度地提高量子计算的测量效率，并大幅减少间接资源，使大规模量子计算机发挥巨大作用。”雷神BBN科技公司的方建中博士评论说:“我们看到，在射电天文学领域研究宇宙起源的人，以及在粒子物理领域研究暗物质的人，对这项研究有着意想不到的兴趣。”他还补充说:“这是基础科学研究可以应用到各个领域的一个例子。”

这项研究发表在自然．