利用狄拉克费米子热学探测单光子

为何捕捉单个光子至关重要

能够探测单个光粒子——光子——是许多新兴技术的基础，从无法窃听的量子通信到超灵敏的太空望远镜，乃至新型暗物质搜索方法。当今最好的单光子探测器在探测相对高能光子时表现优异，但当光子能量变弱（例如携带关键宇宙或量子器件信息的中红外或微波波段）时就力不从心。本文展示了如何将一种原子级薄的碳片——石墨烯，其电子表现如所谓的狄拉克费米子——变为一种新型热学单光子探测器，从而克服这些限制。

感知最微弱光子的全新方式

大多数现有单光子探测器依靠将电子击跨半导体或超导体内的能隙。这个能隙有助于把真实光子与随机噪声区分开，但也设定了一个硬性下限：若光子能量太小，就无法跨越能隙而被忽略。作者采取了不同路径。他们不是利用能隙，而是测量单个光子在石墨烯中沉积的微小热量脉冲。石墨烯电子在“中性”点（正负电荷平衡处）附近具有极低的热容。在该状态下，即便是一个近红外光子的能量也能使微观石墨烯区域的电子温度上升几度——在接近绝对零度的低温（几十分之一开尔文）下这是一个出人意料的大效应。

将热量转换为清晰的电子信号

探测这一短暂的温度峰值具有挑战性：热电子在几十纳秒甚至更短的时间内就会冷却。为捕捉这一瞬时事件，研究组将石墨烯条与一种称为约瑟夫森结的器件耦合。在正常条件下，该结在没有电压降的情况下传导电流，表现如理想导体。但它处于一种微妙的平衡状态，少量额外的热能可将其推过势垒进入有电阻的状态并产生可测电压。在实验中，石墨烯吸收单个光子形成的热点，其热量迅速在整个条带内扩散。这种均匀加热推动相邻的结越过势垒，使其发生“翻转”并保持在有电阻状态足够长的时间以便电子学记录到一个清晰的电压脉冲——实际上相当于对单个光子的一个“点击”响应。

证明真正的单光子灵敏度

研究者将器件置于约0.02开尔文的稀释制冷机中，并照入一个极弱的1550纳米激光，每秒仅向石墨烯送出几十个光子。通过细致绘制在改变激光功率时结发生翻转的频率，他们表明翻转概率与光子速率成线性增长，且统计遵循单个、互不关联光子的泊松分布预期。他们还将微小光斑在芯片上扫描，发现仅当光束与石墨烯重叠时才发生翻转，从而确认光子是在碳片中被吸收，而非在周围的超导接触点被吸收。对沿长窄石墨烯条的热扩散建模显示，热信号可在衰减前传播数百微米，因此远离结处被吸收的光子仍能触发探测事件。

用电学旋钮调节性能

由于石墨烯的电子特性可通过栅极电压控制，研究组可以微调器件的工作效率。调节电子密度会改变结的临界电流和石墨烯的热容。在密度过低时，结变得不稳定、易发生随机翻转；在密度过高时，电子储存更多热量，使单个光子产生的温升更小。通过扫描该栅压，作者找到了一个最佳设置，使探测器实现约87%的内在量子效率——意味着近九成被吸收的光子被记录到——同时将虚警（或暗计数）保持在大约每秒一次，甚至在激进偏置下低至每周一次。他们还测量了基温升高时性能如何退化，并表明一个简单的热模型（描述石墨烯电子与晶格振动的耦合）可以解释直到约1.2开尔文的行为。

对未来技术的意义

通俗地说，这项工作展示了一层超薄碳片可以像极其灵敏的微温度计——单个光子的微弱发热足以触发附近的超导开关。尽管当前器件在非常低温下工作，它将高效率、极低噪声与不依赖固定能隙的探测原理结合起来，使其有望将单光子探测扩展到能隙型探测器难以覆盖的低能谱段。通过进一步工程化，这类石墨烯“博洛米特”可帮助天文学家观测来自早期宇宙的微弱远红外信号、辅助通过极小能量沉积示踪的暗物质搜索，并扩展量子通信与传感在更宽波长范围内的工具箱。

引用: Huang, B., Arnault, E.G., Jung, W. et al. Thermal detection of single photons using Dirac fermions. Nat Commun 17, 3845 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70648-0

关键词: 单光子探测, 石墨烯博洛米特, 狄拉克费米子, 约瑟夫森结, 量子传感