輻射熱測量計(jì)是一種基于吸收輻射熱效應(yīng)的輻射傳感器，對熱輻射非常敏感。輻射熱測量計(jì)易于操作，頻率可調(diào)，因此廣泛應(yīng)用于氣體檢測、安全性、太赫茲成像、天體觀測、醫(yī)療、射電天文學(xué)、暗物質(zhì)軸搜索、超導(dǎo)量子信息科學(xué)等諸多領(lǐng)域。
為了提高輻射熱測量計(jì)的性能，科學(xué)家發(fā)展了一系列方法，但是依然存在許多新的挑戰(zhàn)。其中兩個關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于：
1）進(jìn)一步增強(qiáng)輻射熱測量計(jì)的靈敏度。
2）使輻射熱測量計(jì)在電路量子電動力學(xué)閥值工作。
今日，Nature連續(xù)報(bào)道2篇論文，在解決以上2個問題上方面取得重要進(jìn)展，而兩篇論文的功臣，都是石墨烯。
1. 石墨烯助力輻射熱測量計(jì)首次在電路量子電動力學(xué)閥值工作
電路量子電動力學(xué)為單光子微波探測器和量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展提供了動力，電路量子電動力學(xué)系統(tǒng)中的量子信息處理超導(dǎo)量子比特，具有極大的可擴(kuò)展性和極容易的操作性，被認(rèn)為是 最有可能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的方案之一。而熱傳感器由于其不增加量子噪聲，而且比常用的其他類型探測設(shè)備更小，操作更簡單，消耗的功率減少約6個數(shù)量級，成為了實(shí)現(xiàn)電路量子電動力學(xué)的中重要途徑。
問題在于，雖然熱傳感器的速度和噪聲水平取得了很大進(jìn)步，但輻射熱測量計(jì)還是無法達(dá)到電路量子電動力學(xué)的閾值，該閾值的時間常數(shù)為幾百納秒，能量分辨率約為10h GHz級別（h，普朗克常數(shù)）。
有鑒于此，芬蘭阿爾托大學(xué)M. M?tt?nen等人利用單層石墨烯的獨(dú)特優(yōu)勢，實(shí)驗(yàn)證明了可在電路量子電動力學(xué)閾值下工作的輻射熱測量計(jì)。
研究團(tuán)隊(duì)以單層石墨烯作為活性材料，由于其超低的比熱性能，所制得的輻射熱測量計(jì)噪聲等效功率NEP為30 zW/Hz-1/2，其熱時間常數(shù)縮短了兩個數(shù)量級，達(dá)到500納秒。這兩個值均直接在同一設(shè)備上測量，從而可精實(shí)現(xiàn)30h GHz的量熱分辨率。
實(shí)驗(yàn)觀測到的最小時間常數(shù)為200納秒，遠(yuǎn)低于超導(dǎo)量子位報(bào)道的100微秒左右的相移時間，并且與當(dāng)前使用的讀出方案相匹配，這一研究使輻射熱測量計(jì)在電路量子電動力學(xué)中的應(yīng)用成為可能。
2. 石墨烯增強(qiáng)輻射熱測量計(jì)的靈敏度
想要獲得具有更高靈敏度的輻射熱測量計(jì)，通常的策略是采用納米制造技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)越來越小的設(shè)備，從而增強(qiáng)熱響應(yīng)。然而，由于表面容易污染，在具有較大比表面的裝置中獲得有效的光子耦合，并維持材料性能，成為了一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。石墨烯由于其獨(dú)特的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，可以通過阻抗匹配有效地吸收寬頻率范圍內(nèi)的光子，電子-電子的散射時間很短，可以迅速平衡吸收的光子的內(nèi)部能量，從而實(shí)現(xiàn)更小的熱損失和更靈敏的熱響應(yīng)。
問題在于，隨著光子吸收，電子溫度會升高，溫度計(jì)的靈敏度會下降，從而嚴(yán)重阻礙其性能。
有鑒于此，美國雷神技術(shù)公司（Raytheon BBN Technologies）Kin Chung Fong等人基于單層石墨烯構(gòu)建了一種超薄輻射熱傳感器，實(shí)現(xiàn)了輻射熱測量計(jì)的靈敏度的大幅提高。
研究人員開發(fā)了一種嵌入到微波諧振器中的超導(dǎo)體–石墨烯–超導(dǎo)體Josephson結(jié)輻射熱測量計(jì)，基于石墨烯的微弱的電子比熱和導(dǎo)熱率，其諧振頻率為7.9GHz，耦合效率超過99%。噪聲等效功率NEP為每平方根赫茲7×10-19 W/Hz-1/2，當(dāng)于單個32GHz光子的能量分辨率，達(dá)到了0.19K溫度下本征熱波動處的基本極限。
這項(xiàng)研究我們展示了提高輻射熱測量計(jì)靈敏度的新策略，表明了二維材料有望使輻射熱測量計(jì)的靈敏度達(dá)到熱力學(xué)定律極限的可能性。
小結(jié)
2020年以來石墨烯已經(jīng)連續(xù)在Nature發(fā)表至少10篇研究成果，不可謂不是科學(xué)勞模！
毀之，譽(yù)之
石墨烯
只顧一往無前
參考文獻(xiàn)：
1. R. Kokkoniemi et al. Bolometer operating at the threshold for circuit quantum electrodynamics. Nature 2020, 586, 47–51.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2753-3
2. Gil-Ho Lee et al. Graphene-based Josephson junction microwave bolometer. Nature 2020, 586, 42–46.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2752-4
