基于微波谐振电路读出的太赫兹石墨烯约瑟夫森结探测系统

1.本发明属于太赫兹探测技术领域，具体涉及基于微波谐振电路读出的太赫兹石墨烯约瑟夫森结探测系统。


背景技术：

2.太赫兹波段是一个有待全面研究与开发的“新”电磁波段，具有强分子吸收和色散、高空间分辨率、低光子能量等诸多特点，在天文学、物理学、材料科学、生命科学、信息技术等领域具有重要科学意义及丰富应用前景。高灵敏度非相干探测器是太赫兹科学与应用发展的关键技术之一。目前，太赫兹波段高灵敏度非相干探测器技术主要有超导相变边缘探测器和超导动态电感探测器。超导相变边缘探测器属于热探测器，近年来得益于低噪声超导量子干涉器件（squid）读出复用技术的进步和探测器噪声机制的进一步解明，超导相变边缘探测器得到了快速发展，在许多太赫兹天文望远镜（如美国jcmt望远镜）中得到应用。超导动态电感探测器是基于高能光子激发准粒子光电效应的超导探测器，其采用更为简单的频域读出复用技术，可实现与超导相变边缘探测器相近的灵敏度，在若干太赫兹天文望远镜（如欧洲iram望远镜）上也实现了初步试验观测。
3.近年来，另一种新兴的太赫兹波段高灵敏度非相干探测器技术，即石墨烯约瑟夫森结探测器，获得了国内外许多研究小组高度关注。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的单层片状结构材料，石墨烯特殊的碳原子单层结构使其具有许多独特物理特性。例如，低温环境下石墨烯具有电子热容小和电声相互作用弱等特性，这些特性使得石墨烯成为研制高灵敏度非相干探测器最佳材料之一。石墨烯约瑟夫森结探测器核心部分是微纳尺度石墨烯微桥和超导电极，其工作原理是超导电极与石墨烯微桥（s-n）界面上的andreev反射引起石墨烯微桥中的超导弱连接。石墨烯微桥中的超导弱连接与石墨烯微桥电子温度密切相关。由于低温环境的石墨烯具有电子热容小和电声相互作用弱的特性，太赫兹信号辐照会使得石墨烯微桥中电子温度急剧升高，引起石墨烯微桥中的超导弱连接效应发生剧烈变化，进而实现太赫兹信号高灵敏度探测。总体上，石墨烯约瑟夫森结探测器具备背景极限的探测灵敏度。除了高灵敏度，石墨烯约瑟夫森结探测器还具备宽温区工作和结构相对简单（例如，与腿支撑结构的超导相变边缘（tes，transition edge sensor）探测器相比）的特点。
4.目前，石墨烯约瑟夫森结探测器通常采用直流偏置读出，也就是将石墨烯约瑟夫森结探测器恒流或恒压偏置，然后通过读取太赫兹信号辐照引起的石墨烯约瑟夫森结探测器电流或电压变化，实现太赫兹信号高灵敏度探测。直流偏置读出要求直流读出噪声必须小于石墨烯约瑟夫森结探测器内禀噪声（即热起伏噪声、散粒噪声等）。目前，满足该条件的直流偏置读出技术相对较少，仅有低噪声超导量子干涉器件（squid）读出技术。超导squid是迄今为止较为成熟的具有超高灵敏度的磁通探测器，可以探测磁场以及其他可以转化为磁通的物理量,例如电流、电压等。在基于超导squid读出的石墨烯约瑟夫森结探测器中，超导squid将读取太赫兹信号辐照引起的石墨烯约瑟夫森结探测器电流或电压变化，进而实
现太赫兹信号高灵敏度探测。然而，超导squid读出技术也存在一些问题，这些问题已经越来越限制其应用。首先，超导squid读出核心是包含了单个或者多个约瑟夫森结的超导squid芯片。复杂结构的超导squid芯片对制备工艺要求非常高，目前国际上也只有几家公司（如美国star cryoelectronics公司）能够制备高性能超导squid芯片。石墨烯约瑟夫森结探测器的未来发展趋势之一是发展大规模阵列探测器，采用复杂结构的超导squid读出技术读取大规模石墨烯约瑟夫森结阵列探测器将变得非常困难，极大地限制了大规模石墨烯约瑟夫森结阵列探测器的发展。其次，超导squid读出本质是磁通探测器，其对外界磁场（例如地球磁场等）变化非常敏感，因此在基于超导squid读出的石墨烯约瑟夫森结探测器中还需要额外的磁屏蔽装置，而低温磁屏蔽技术本身就是难点。另外，超导squid读出属于直流读出，需要额外的低噪声直流偏置源，同时超导squid读出中也存在额外的低频1/f噪声等，这些噪声将不可避免地恶化石墨烯约瑟夫森结探测器灵敏度。总体上，超导squid读出技术已经很难满足高灵敏度石墨烯约瑟夫森结探测器（特别是大规模石墨烯约瑟夫森结阵列探测器）的应用需求。因此，研制大规模石墨烯约瑟夫森结阵列探测器亟需发展一种结构相对简单、抗干扰能力强、高读出复用比的低噪声读出技术。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于微波谐振电路读出的太赫兹石墨烯约瑟夫森结探测系统，采用微波谐振电路读出替代传统直流偏置读出，用于读出太赫兹石墨烯约瑟夫森结探测器。石墨烯约瑟夫森结探测器可等效为微波电感，其与微波谐振电路读出（等效为微波电感和微波电容）共同组成微波谐振电路。在太赫兹信号辐照下，石墨烯约瑟夫森结探测器等效微波电感发生变化，微波谐振电路的谐振频率与品质因子都会发生变化。采用微波网络分析仪监测微波谐振电路谐振频率与品质因子变化，可实现太赫兹信号高灵敏度探测。相比传统直流偏置读出（如超导squid读出等），微波谐振电路读出仅包含平面共面波导或微带线结构电感和电容，结构相对简单，对制备工艺要求低。由于石墨烯约瑟夫森结探测器输出端一般也是平面共面波导结构，微波谐振电路读出与石墨烯约瑟夫森结探测器可实现单片集成，进而进一步简化基于微波谐振电路读出的太赫兹石墨烯约瑟夫森结探测系统结构，更易实现大规模石墨烯约瑟夫森结阵列探测器。另外，微波谐振电路读出是由无源电感和电容组成，对外界磁场变化或者电磁干扰不敏感，拓展了基于微波谐振电路读出的太赫兹石墨烯约瑟夫森结探测系统的应用范围。在读出噪声方面，微波谐振读出电路一般工作在微波波段（ghz波段），避开了低频1/f噪声的影响，可实现低噪声读出。总体上，微波谐振电路读出技术是一种结构相对简单、抗干扰能力强、高读出复用比的低噪声读出技术。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：基于微波谐振电路读出的太赫兹石墨烯约瑟夫森结探测系统，其特征在于，包括石墨烯约瑟夫森结探测器、微波谐振读出电路、微波网络分析仪和低温制冷机；所述石墨烯约瑟夫森结探测器与微波谐振读出电路电连接，共同组成微波谐振电路；被探测信号加热石墨烯约瑟夫森结探测器，通过改变石墨烯约瑟夫森结探测器的等效微波电感进而改变微波谐振电路的谐振频率和品质因子；所述微波网络分析仪与微波谐振读出电路连接，用于监测微波谐振电路的谐振频率和品质因子的变化，进而实现对被探测信号的探测；所述低
温制冷机为石墨烯约瑟夫森结探测器和微波谐振读出电路提供低温工作环境。
7.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：进一步地，所述石墨烯约瑟夫森结探测器由硅透镜和石墨烯约瑟夫森结探测器芯片组成，所述石墨烯约瑟夫森结探测器芯片由平面天线和石墨烯微桥组成，所述硅透镜和平面天线共同耦合被探测信号至石墨烯微桥。
8.进一步地，所述平面天线由超导材料制备，平面天线作为石墨烯微桥的超导电极，与石墨烯微桥共同形成超导体-石墨烯-超导体的约瑟夫森结构。
9.进一步地，所述石墨烯约瑟夫森结探测器和微波谐振读出电路在同一芯片上集成。
10.进一步地，所述微波谐振读出电路属于无源器件，由无源平面共面波导或微带线结构电感和电容组成。
11.进一步地，所述微波谐振读出电路工作在微波波段。
12.本发明的有益效果是：1. 相比传统直流偏置读出，如超导squid读出，微波谐振电路读出仅包含平面共面波导或微带线结构电感和电容，结构相对简单，对制备工艺要求低；2. 微波谐振读出电路与石墨烯约瑟夫森结探测器可实现单片集成，进而进一步简化基于微波谐振电路读出的太赫兹石墨烯约瑟夫森结探测系统结构，更易实现大规模石墨烯约瑟夫森结阵列探测器；3. 微波谐振电路读出仅包含无源平面共面波导或微带线结构电感和电容，不受外界磁场变化或电磁干扰影响，抗干扰能力强；4. 微波谐振读出电路一般工作在微波波段（ghz波段），避开了低频1/f噪声的影响，基于微波谐振电路读出的太赫兹石墨烯约瑟夫森结探测系统可实现背景极限探测灵敏度。
附图说明
13.图1是本发明基于微波谐振电路读出的太赫兹石墨烯约瑟夫森结探测系统的结构示意图。
14.图2是本发明基于微波谐振电路读出的太赫兹石墨烯约瑟夫森结探测系统的工作原理图。
15.附图标记如下：1、石墨烯约瑟夫森结探测器；2、微波谐振读出电路；3、微波网络分析仪；4、低温制冷机；5、被探测信号；1-1、硅透镜；1-2、石墨烯约瑟夫森结探测器芯片；1-2-1、平面天线；1-2-2、石墨烯微桥。
具体实施方式
16.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
17.如图1所示的基于微波谐振电路读出的太赫兹石墨烯约瑟夫森结探测系统，包括石墨烯约瑟夫森结探测器1、微波谐振读出电路2和微波网络分析仪3。石墨烯约瑟夫森结探测器1和微波谐振读出电路2电连接，并且单芯片集成，共同组成微波谐振电路。微波网络分析仪3与微波谐振读出电路2连接，用于监测微波谐振电路的谐振频率和品质因子。
18.石墨烯约瑟夫森结探测器1具体由硅透镜1-1和石墨烯约瑟夫森结探测器芯片1-2 组成，石墨烯约瑟夫森结探测器芯片1-2由平面天线1-2-1和石墨烯微桥1-2-2组成，硅透镜1-1和平面天线1-2-1耦合太赫兹信号至石墨烯微桥1-2-2。
19.图2是基于微波谐振电路读出的太赫兹石墨烯约瑟夫森结探测系统的工作原理图，除了上述的石墨烯约瑟夫森结探测器1、微波谐振读出电路2和微波网络分析仪3，还包括低温制冷机4和被探测信号5。低温制冷机4为石墨烯约瑟夫森结探测器1和微波谐振读出电路2提供低温工作环境。被探测信号5经过硅透镜1-1和平面天线1-2-1共同耦合至石墨烯微桥1-2-2，改变石墨烯约瑟夫森结探测器1的等效微波电感，进而改变石墨烯约瑟夫森结探测器1和微波谐振读出电路2共同组成的微波谐振电路的谐振频率和品质因子。微波网络分析仪3和微波谐振读出电路2连接，用于监测微波谐振电路的谐振频率和品质因子，进而实现被探测信号5高灵敏度探测。
20.本实施例中，微波谐振读出电路2由平面共面波导或微带线结构电感和电容组成，结构相对简单，对制备工艺要求低。微波谐振读出电路2可与石墨烯约瑟夫森结探测器1单片集成，更易实现大规模太赫兹石墨烯约瑟夫森结阵列探测器。微波谐振读出电路2属于无源器件，不受外界磁场变化或电磁干扰影响，抗干扰能力强。微波谐振读出电路2工作在微波波段（ghz波段），避开了低频1/f噪声的影响，可实现低噪声读出。总体上，采用微波谐振电路读出替代传统直流读出，不仅可实现背景极限探测灵敏度的太赫兹石墨烯约瑟夫森结探测器，还可实现大规模石墨烯约瑟夫森结阵列探测器，对拓展石墨烯约瑟夫森结探测器应用具有意义。
21.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。