新型近红外单光子热探测技术，突破传统探测器的能隙束缚

单光子探测是量子科学、量子网络、生物成像与深空探测的核心支撑技术，实现低能光子（近红外、中红外至微波）的单光子级检测一直是领域内的核心难题。传统单光子探测器依赖光子激发跨越半导体带隙或超导能隙完成信号转换，超导纳米线与动电感探测器则通过打破库珀对实现响应，但能隙的存在从原理上限制了低能光子的有效探测，且难以兼顾高量子效率与极低暗计数。热探测方案（如过渡边传感器）可规避能隙限制，但常规材料电子密度高、电子-声子耦合强，热容过大导致单光子引发的温升信号被淹没，无法实现单光子分辨。石墨烯作为二维狄拉克材料，在电荷中性点附近呈现狄拉克电子态密度趋近于零的独特属性，电子热容极低（~1 kB/μm²）且电子-声子耦合被显著抑制，单光子能量可引发电子温度显著跃升，为单光子热测提供了理想物理基础。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国麻省理工学院（MIT）、韩国浦项科技大学（Pohang University of Science and Technology）和美国东北大学（Northeastern University）的研究团队首次利用石墨烯狄拉克费米子的热学特性实现近红外单光子热探测。研究团队构建石墨烯-约瑟夫森结混合器件，借助单光子吸收引发的电子温升触发约瑟夫森结超导-阻态切换，在1550 nm波段实现87%本征量子效率、暗计数低于1次/秒（最优条件下每周1次），等效噪声等效功率低至2×10⁻²² W/√Hz，最高工作温度达1.2 K。该研究突破传统探测器的能隙束缚，为中红外至微波低能光子探测、暗物质探测与深空红外科学开辟全新路径。相关研究成果以“Thermal detection of single photons using Dirac fermions”为题发表在Nature Communications期刊上。

器件架构与单光子热探测物理机制

狄拉克费米子单光子测辐射热计探测器架构为六方氮化硼（hBN）/石墨烯/hBN范德华异质结集成约瑟夫森结（GJJ），采用垂直堆叠结构。利用上下hBN封装层隔绝环境杂质、保护石墨烯并提供介电隔离；石墨烯吸收层作为狄拉克费米子工作通道，吸收光子并产生电子温升；MoRe超导电极形成约瑟夫森结，作为温度敏感读出单元；石墨背栅与Si衬底可静电调控石墨烯载流子浓度，定位至电荷中性点以实现最低热容。

图1 狄拉克费米子单光子测辐射热计（SPB）

石墨烯狄拉克电子的超低热容是实现单光子温升的核心：单个1550 nm光子能量被石墨烯吸收后，电子温度可瞬时升高至～2 K，远高于晶格温度。该温升信号以热扩散形式传遍石墨烯通道，作用于约瑟夫森结势垒，触发结区从超导态向阻态切换，产生可读取电压脉冲，完成单光子事件的电学记录。该机制完全摆脱能隙限制，仅依赖热学响应实现低能光子检测，从原理上兼容中红外至微波全波段拓展。

单光子测辐射热计性能验证

为验证单光子测辐射热计的单光子热探测效果，研究人员在激光扫描石墨烯的过程中，通过测量开关速率Γ来研究光子吸收过程。图2展示了激光扫描石墨烯上的光束光斑。

图2 激光扫描石墨烯上的光束光斑

狄拉克费米子单光子测辐射热计的性能取决于电子密度。图3展示了单光子测辐射热计性能对电子密度的依赖性。研究人员还通过分析η与Γ暗计数之间相互制衡的权衡空间、η对Ib的依赖性来近似单个光子温升，来评估狄拉克费米子单光子测辐射热计的性能。

图3 单光子测辐射热计性能对电子密度的依赖性

此外，研究人员还研究了狄拉克费米子单光子测辐射热计本征量子效率与温度和波纹势垒高度的关系，相关结果如图4所示。

图4 本征量子效率与温度和波纹势垒高度的关系

总结

综上所述，这项研究首次实现基于石墨烯狄拉克费米子的近红外单光子热探测，通过超低热容狄拉克电子与高灵敏度约瑟夫森结读出的协同，突破传统探测器能隙束缚，在1550 nm波段实现87%高量子效率、亚赫兹暗计数与超低噪声等效功率（NEP），最高工作温度达1.2 K。器件工艺兼容CMOS，性能可通过光子微腔集成、动力学电感读出进一步提升。该研究突破传统探测器的能隙束缚，为中红外至微波低能光子探测、暗物质探测、深空红外科学与光谱学革新开辟全新路径。随着石墨烯异质结质量提升、读出电路优化与工作温度进一步升高，该探测器将从低温实验室走向实用化，成为低能光子量子探测领域的颠覆性技术。