石墨烯约瑟夫森参量放大器中的克尔非线性增强辐射热测量计响应

研究人员针对高灵敏度、宽带宽和快速读出的辐射热测量计需求，创新性地将约瑟夫森参量放大器(JPA)与石墨烯约瑟夫森结结合，发现克尔非线性(Kerr non-linearity)可使器件灵敏度提升100倍，在非线性偏置下实现500 aW/√Hz的噪声等效功率(NEP)和4.26μs的热时间常数。该研究为二维材料量子传感器性能优化提供了新思路。

　　

在暗物质探测、射电天文和量子比特读取等领域，辐射热测量计的性能瓶颈始终在于如何同时实现高灵敏度、宽频带和快速响应。传统方案如超导量子比特辐射热测量计虽能达到10^-22 W/√Hz的灵敏度，但工作带宽仅50 MHz；而石墨烯基器件虽具宽谱优势，其灵敏度与响应速度却难以兼得。这一矛盾促使印度塔塔基础研究所(Tata Institute of Fundamental Research)的Joydip Sarkar团队在《Nature Communications》发表突破性研究，通过巧妙利用石墨烯约瑟夫森参量放大器(JPA)的克尔非线性，将辐射热测量计性能推至新高度。

研究采用微波反射测量结合频谱分析技术，关键实验包括：1) 在hBN封装石墨烯约瑟夫森结中集成独立加热电极；2) 通过门电压(V_g)调控线性共振频率(4-5.7 GHz)；3) 采用1 MHz调制加热信号测量上转换边带；4) 热时间常数测量采用50μs方脉冲激发结合零差解调。

Device description
研究团队设计了一种新型LC谐振器结构，将石墨烯约瑟夫森结作为非线性电感(L_J≈L₀+L₂φ²)与平行板电容器(C₁, C₂)串联。如图1所示，通过独立加热电极注入电流时，石墨烯结的约瑟夫森电感因临界电流(I_c)降低而增加，导致谐振频率(f_res^lin∝√I_c)偏移。

Modulated heating experiments
核心发现体现在非线性偏置下的灵敏度跃升：当泵浦功率(P_s=-76.87 dBm)使JPA进入非线性区时，1 MHz加热信号产生的边带功率比线性区高22 dB（图3f）。克尔非线性引发的相位敏感性增强使器件可检测-95 dBm的微热信号，对应NEP~500 aW/√Hz，比线性区改善一个数量级。

Control experiment
通过刻蚀石墨烯热电极的控制实验（图4）揭示：约5%热量通过hBN声子通道传递至约瑟夫森结，证实了缺陷介导的电子-声子耦合机制。这一发现为优化热耦合效率提供了新方向。

Time constant measurements
器件展现出4.26μs的热时间常数，而JPA本征响应时间仅70 ns（图5）。值得注意的是，非线性区工作时因带宽降低会导致响应延迟，这种特性为动态范围优化提供了调控维度。

该研究首次将JPA的非线性响应与石墨烯热敏特性结合，不仅实现了迄今最快的石墨烯基辐射热测量计，更开创性地证明非线性效应可大幅提升传感器性能。这种架构兼容超导电路量子电动力学(cQED)读出系统，为未来大规模阵列化应用铺平道路。研究揭示的hBN声子传热机制，也为二维材料异质结的热管理设计提供了重要参考。