基于约瑟夫森结阵列的级联放大超导探测器：实现微波至太赫兹波段高灵敏度探测的新突破

研究人员针对微波(MW)和太赫兹(THz)波段单光子探测器的灵敏度瓶颈，创新性地提出基于约瑟夫森结(Josephson junction, JJ)阵列的级联放大超导探测器(SCDn)。通过Nb/NbxSi1-x/Nb低温和Bi2Sr2CaCu2O8+δ高温超导材料构建阵列，实现电流锁定效应触发的雪崩式级联响应，使探测灵敏度提升至3 pW/Hz1/2，为量子光学和电子学应用提供了新方案。

　　

在量子通信、天文观测和生物医学成像等领域，太赫兹(THz)和微波(MW)波段的单光子探测技术长期面临两大挑战：一是光子能量极低（毫电子伏量级），传统半导体和真空管探测器难以有效响应；二是波长较长（毫米级）导致阻抗失配，吸收效率低下。尽管基于超导量子干涉器件(SQUID)和量子比特的方案已接近量子极限，但其复杂的制备工艺和有限的动态范围制约了实际应用。

《Nature Communications》最新发表的这项研究另辟蹊径，借鉴光电倍增管的级联放大原理，首次将约瑟夫森结阵列(Josephson junction array)的集体动力学特性转化为探测优势。研究团队通过理论建模揭示：当阵列中单个结因吸收光子发生超导-电阻态转变时，结间耦合会引发雪崩效应，使多个结协同切换，产生远高于单结的读出电压。这种"纯级联增益"机制不仅能放大信号，还能通过抑制电报噪声突破传统噪声等效功率(NEP)限制。

关键技术包括：1）采用光刻工艺制备含128个Nb/Nb_xSi_1-x/Nb结的线性阵列和Bi-2212本征约瑟夫森结(IIJ)堆叠结构；2）搭建低温(3.3K)光学测试系统，结合锁相放大技术实现23Hz-230kHz宽频带信号提取；3）通过极化损耗图定量分析天线耦合效率；4）建立包含热激活逃逸和量子隧穿的理论模型，推导出灵敏度与结数的反比关系(NEP_n∝1/N)。

微波探测实验

太赫兹响应验证

理论突破

研究首次区分两类响应机制：传统模式依赖临界电流I_s偏移，而创新性的纯级联模式通过?n/?P直接放大信号。式(9)揭示NEP与结数成反比，为优化设计提供指导。

这项研究的意义在于：1）提出可扩展的阵列架构，通过简单增加结数即可提升性能；2）证明适度非均匀性反而有利于增强?n/?P响应；3）预测在30mK和I_c0^*≈6nA条件下，NEP可达50aW/Hz^1/2量级。Vladimir M. Krasnov团队的工作为发展宽频带、高灵敏度量子探测器开辟了新路径，特别是在深空探测和量子信息处理领域具有重要应用前景。