ナノスケール材料：グラフェンを用いたジョセフソン接合マイクロ波ボロメーター

高感度マイクロ波検出器は、電波天文学、暗黒物質アクシオンの探索、超伝導量子情報科学に不可欠である。従来のボロメトリー感度向上戦略は、ナノ加工技術でデバイスの小型化を進め熱的応答を高めることである。しかし、表面汚染のために、効率的な光子結合を得たり、表面積対体積比が大きなデバイスにおいて材料特性を維持したりすることは困難である。今回我々は、単層グラフェンを用いた究極的な薄さのボロメーター型センサーを報告する。我々は、グラフェンの極めて小さな電子比熱と熱伝導率を利用するために、共振周波数が7.9 GHzで結合効率が99％を超えるマイクロ波共振器に組み込まれた、超伝導体–グラフェン–超伝導体ジョセフソン接合ボロメーターを開発した。ジョセフソンスイッチング電流の、動作温度、電荷密度、入力電力、周波数への依存性から、7 × 10⁻¹⁹ W Hz^−1/2という雑音等価電力が示された。これは、32 GHz光子1個のエネルギー分解能に相当し、0.19 Kで固有の熱ゆらぎによって課される基本的限界に近い。今回の結果は、二次元材料を使うことによって、熱力学の法則によって許される最高感度のボロメーターを開発できる可能性があることを立証している。

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