研究背景
随着量子技术的快速发展，超导材料因其在量子计算、量子传感和量子计量应用中的关键作用而引起了广泛关注。特别是，纳米图案化的超导薄膜因其超灵敏的光探测能力而受到重视。这些薄膜具有低热容和陡峭的超导转变，使得在吸收光子时能够打破库珀对并生成准粒子，从而引入阻抗变化。然而，传统超导体在载流子密度和热容量方面的局限性，使得它们在高灵敏度探测方面面临挑战。
有鉴于此，雷神BBN技术公司的Dmitri K. Efetov教授合作在“Science Advances”期刊上发表了题为“Infrared single-photon detection with superconducting magic-angle twisted bilayer graphene”的最新论文。科学家们开始研究二维超导体，尤其是魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）。MATBG的载流子密度仅为约10¹¹个每平方厘米，比传统超导体低五个数量级。这一特性使其具有超低的电子热容量和高动电感，进而为热传感和单光子探测提供了极佳的性能。研究人员发现，MATBG在光子吸收后的超导相转变过程中表现出极高的灵敏度，为量子传感领域开辟了新的可能性。
概念验证实验结果显示，在一个16平方微米的MATBG器件中，单个红外光子的吸收能够完全破坏超导态。这一发现不仅揭示了MATBG与光子的相互作用机制，还为使用莫尔超导体开发革命性的量子设备和传感器提供了新的路径。
值得一提的是，魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）连续登顶Nature、Nature Materials等期刊，热度很高，引起了不小的关注！
科学亮点
1. 实验首次使用魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）作为超导材料，成功探测到单个近红外光子，展示了其在量子传感中的潜力。
2. 实验通过对MATBG器件施加电压偏置，使其接近超导相变，观察到单个红外光子的吸收导致超导态的完全破坏。尽管在仅16平方微米的器件中，依然展现出极高的灵敏度。
3. 研究显示，MATBG的载流子密度约为10¹¹个每平方厘米，远低于传统超导体，这导致其具有超低的电子热容和高动电感，为热传感和单光子探测提供了创纪录的参数。
图文解读
图1：超导MATBG作为超灵敏SPD材料。
图2：光诱导点击的统计数据。
图3：超导MATBG的单光子灵敏度。
图4: 探测器在高温下的性能。
科学启迪
本文的研究揭示了莫尔超导体魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）在单光子探测中的巨大潜力。MATBG以其极低的载流子密度和超低的电子热容，表现出卓越的超导特性，使其成为量子传感应用的理想材料。通过对接近超导相变的MATBG器件进行电压偏置，研究团队成功探测到单个近红外光子，并观察到超导态的完全破坏，这表明该材料在高灵敏度探测中的应用前景广阔。这一发现不仅为理解MATBG与光子的相互作用提供了重要见解，还为未来开发基于莫尔超导体的革命性量子设备和传感器铺平了道路。随着对这些独特超导相的深入研究，预计将会激发更多关于超导材料的探索，推动量子技术的发展，尤其是在量子计算和量子通信领域的应用。这些研究成果将为实现更高性能的量子设备提供理论基础和实践指导，进一步拓展量子科学的边界。
文献信息
Giorgio Di Battista et al. ,Infrared single-photon detection with superconducting magic-angle twisted bilayer graphene.Sci. Adv.10,eadp3725(2024).DOI:10.1126/sciadv.adp3725
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