模拟信号位敏探测器

射频微波探测器是微波系统中的重要电子器件，在通讯、雷达、导航、遥感、电子工业、医疗、科学研究等方面具有广泛应用。近年来，随着通信技术的迅速发展，对未来微波探测器提出了更高的需求，如对微弱信号(μ W以下)的高灵敏度检测，以及功耗低和易于小型化、集成化。利用电子自旋特性而不是电子电荷属性来构建微波探测器，有望解决上述挑战。　　近期，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所曾中明团队与国内外科学家合作在基于电子自旋特性的微波探测器件研究方面取得了新的进展。他们利用薄膜制备技术精确控制纳米磁性薄膜的界面特性，巧妙地在“磁性自由层/隔离层/磁性固定层”三明治纳米结构中使自由层的磁矩垂直于薄膜平面，而固定层的磁矩平行于薄膜平面(图a)。由于两磁性层的磁矩成近90度排列，极大地提高了自旋注入效率。该结构具有优异的微波探测性能：在1 nW的微弱信号作用下，其探测灵敏度高达75,400 mVmW-1，是半导体Schottky 二极管探测器探测极限的20倍。同时，该器件体积是半导体微波探测器的1/50，易于集成。此外，该器件可在零磁场下工作，消除了对外加磁场的依赖，简化了器件结构，降低了功耗。该研究结果为设计新型高灵敏的纳米微波器件提供了重要指导。相关研究成果发表在近期Nature Communications上(Nature Communications，2016, 7: 11259)。　　该研究工作得到了科技部重大仪器专项和国家自然科学基金资助。

01. 导读石墨烯已经实现了许多最初预测的特性，并且正朝着市场迈进。然而，尽管预测的市场影响巨大，基于石墨烯的高性能电子和光子学仍然落后。尽管如此，已经报道了一些令人印象深刻的光电子器件演示，涉及调制器、混频器和光电探测器（PDs），特别是利用石墨烯的高载流子迁移率、可调电学特性和相对容易集成的石墨烯光电探测器已经得到了证明，例如展示了利用光增益效应的高响应度或超过100 GHz的带宽。从紫外线到远红外线之间，尽管石墨烯几乎具有均匀吸收特性，但其相对低的吸收率约为2.3%，这是其中一个主要挑战。因此，大多数速度最快、性能最佳的探测器都是在硅或硅化物等光子集成电路（PIC）平台上进行演示的。通过石墨烯的电场的平行传播，可以提供更长的相互作用长度，从而增加吸收率。通过使用等离子体增强技术，甚至可以实现更短和更敏感的探测器。尽管在光子集成电路上使用石墨烯已经展示了多种功能应用，但光子集成电路的整合也有其代价。光子集成电路的整合限制了可访问的波长范围，无论是由于波导材料（如Si）的透明度限制，还是由于集成光学电路元件（如光栅耦合器、分光器等）的有限带宽。此外，光子集成电路的整合对偏振依赖性和占地面积都有一定的限制，这是由于访问波导的原因。光子集成电路的模式和等离子体增强也意味着所有光线只与石墨烯的一个非常有限的体积相互作用，导致早期饱和的发生，有效地将最大可提取的光电流限制在微安级别。作为一种替代方案，可以直接从自由空间垂直照射石墨烯。这种方法可以充分利用石墨烯的光电检测能力，而不会受到所选择光子平台的限制。然而，这需要一种结构来有效增强石墨烯的吸收。此外，由于器件尺寸较大，对整体器件几何结构和接触方案的额外考虑更加关键。尽管如此，已经证明即使是与自由空间耦合的石墨烯探测器也可以达到超过40 GHz的带宽。由于没有光子集成电路的一些约束，整体效率不会受到耦合方案的影响，而且其他属性，如不同波长和偏振，现在也可以自由访问。例如，最近利用任意偏振方向来演示了中红外区域的极化解析检测中的定向光电流。石墨烯提供了多种物理检测效应：与传统的光电探测器（如PIN光电二极管或玻璃热计）只使用一种特定的检测机制不同，石墨烯探测器具有多种不同的检测机制，例如基于载流子的机制[光电导（PC）和光伏（PV）]，热机制[玻璃热（BOL）和光热电（PTE）]，或者增益介质辅助的机制。最近的器件演示已经朝着光热电复合操作的方向推进，以克服依赖偏置检测机制时的高暗电流问题。对石墨烯的时间分辨光谱测量表明，载流子动力学可以实现超过300 GHz的热和基于载流子的石墨烯光电探测器。对于设计高速、高效的石墨烯光电探测器来说，目前仍不清楚哪种直接检测机制（PV、PC、BOL或PTE）可以实现最高的带宽，并且这些效应中的许多效应可以同时存在于一个器件中，使得专门的设计变得困难。02. 成果掠影鉴于此，瑞士苏黎世联邦理工学院电磁场研究所Stefan M. Koepfli报道了一种零偏置的石墨烯光电探测器，其电光带宽超过500 GHz。我们的器件在环境条件下可以覆盖超过200 nm的大波长范围，并可适应各种不同的中心波长，从小于1400 nm到大于4200 nm。材料完美吸收层提供共振增强效应，同时充当电接触，并引入P-N掺杂，实现高效快速的载流子提取。光可以通过标准单模光纤直接耦合到探测器上。直接的自由空间耦合使光功率可以分布，导致高于100 mW的饱和功率和超过1 W的损伤阈值。该探测器已经经过高速操作测试，最高速率可达132 Gbit/s，采用两电平脉冲幅度调制格式（PAM-2）。多层结构几乎可以独立于基底进行加工处理，为成本效益高的技术奠定了基础，该技术可以实现与电子器件的紧密单片集成。我们进一步展示了该方法的多样性，通过调整超材料的几何形状，使其在中红外波长范围内工作，从而在原本缺乏此类探测器的范围内提供高速和成本效益高的探测器。因此，这种新型传感器为通信和感知应用提供了机会。相关研究成果以“Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertz”为题，发表在顶级期刊《Science》上。03. 核心创新点本文的核心创新点包括：1. 基于图形石墨烯的光电探测器：本文提出了一种利用单层石墨烯的光电探测器。与传统的光电二极管或波尔计可以利用一种特定的探测机制不同，图形石墨烯探测器具有多种不同的探测机制，包括载流子机制、热机制和增益介质辅助机制。2. 电光带宽：本文展示了具有大于500 GHz的电光带宽的图形石墨烯探测器。这意味着该探测器能够高速响应光信号，适用于高速通信和数据传输。3. 多波段操作和宽光谱范围：图形石墨烯探测器能够在多个波段上工作，并且具有超过200 nm的宽光谱范围。这使得该探测器在通信和传感等领域具有广泛的应用潜力。4. 自由空间耦合和紧凑集成：本文展示了通过自由空间耦合的方式将光信号直接耦合到探测器中，避免了光子集成电路中的限制，并且实现了紧凑的集成。这使得探测器具有更好的灵活性和可扩展性。5. 高饱和功率和低压操作：图形石墨烯探测器具有高饱和功率，能够抵消响应度的影响。此外，它还能在低电压范围内进行操作，与CMOS技术兼容，使得探测器具有更低的功耗和更好的性能。04. 数据概览图1. 间隔式石墨烯超材料光电探测器的艺术视角。（A）从顶部直接通过单模光纤照射器件的艺术化表现。（B）器件结构的可视化。光电探测器由金反射层背板、氧化铝间隔层、单层石墨烯和相连的偶极子谐振器组成。金属线具有交替的接触金属，由银或金制成。然后，该结构由氧化铝钝化层封顶。图2. 制备的器件和模拟的光学和电子行为。（A至D）所提出的超材料石墨烯光电探测器（钝化前）的扫描电子显微图，放大倍数不同。显微图展示了从电信号线到活动区域再到谐振器元件的器件结构。在（D）中显示了四个单元格（每个单元格大小为1 mm × 1 mm），位于x和y坐标系中。比例尺分别为50mm（A），5 mm（B）和1 mm（C）。（E至G）同一单元格的模拟光学和静电行为。图（E）中展示了电磁场分布下的偶极子天线行为，图（F）中展示了相应的吸收分布。大部分吸收都集中在偶极子谐振器附近。图（G）中展示的模拟接触金属引起的电势偏移显示了由于交替接触金属而引起的P-N掺杂。沿着每种模拟类型（（E）至（G））的中心线（y = 1000 nm）的横截面位于每个面板的底部，显示光学信号和掺杂在接触区域附近最强。图3. 用于电信波长的器件性能。（A）用光学显微镜拍摄的器件在与电子探针接触时的顶视图（顶部）和侧视图（底部）图像。图像显示了与单模光纤的直接光学耦合。DC表示直流，RF表示射频。（B）归一化的光电响应随照射波长变化的曲线图，显示了共振增强和宽带工作。FWHM表示半峰全宽。（C）光输入功率变化范围内提取的光电流，范围跨越了五个数量级（黑线）。蓝线对应于器件上的光功率（Int.），而黑线对应于单模光纤输出的功率（Ext.）。响应度分别为Rext = 0.75 mA/W和Rint = 1.57 mA/W。（D）石墨烯光电探测器在2至500 GHz范围内的归一化频率响应。测量结果显示平坦的响应，没有滚降行为。WR代表波导矩形。（E）不同射频音调下的归一化射频响应随栅压的变化。发现理想的栅压在-2.5 ±1 V附近，使得响应平坦，这对应于轻微的P掺杂，可以从底部的电阻曲线中看出。电阻曲线进一步显示靠近0 V的狄拉克点和非常小的滞后行为（在图S2中进一步可视化）。（F）测量栅电压范围的相应模拟电势剖面，显示了理想的栅电压（以红色突出显示），对应于两个接触电平中心处的掺杂。图4. 光谱可调性和多共振结构。（A至C）模拟（A）和测量（B）不同元件共振器长度的光谱吸收，展示了元件结构的可调性。图中给出了四个示例的极化无关设计的扫描电子显微镜图像（C），其中颜色对应于（A）中所示的共振器长度刻度。比例尺为1 mm。（D至G）多共振器件的概念。（D）针对1550和2715 nm的双共振器件的扫描电子显微镜图像。顶部比例尺为1 mm，底部比例尺为5 mm。（E）相应的电场模拟，使用3个单元单元格乘以2个单元单元格的双共振器件，激发波长分别为1550和2715 nm，显示了两个不同尺寸共振器的清晰偶极子行为。（F）器件上的光电流与光功率的关系图和（G）两个波长的测量响应度与电压的关系图。05. 成果启示我们展示的2 GHz至500 GHz以上的电光带宽光电探测器与传统的PIN光电探测器技术和单向载流子光电二极管相媲美。垂直入射的元件结构图形PD在单个器件中充分发挥了图形的预期优势。从概念上讲，该探测器的性能利用了元件吸收增强、通过图形-金属接触掺杂的内置电场、通过静电门实现的良好控制的工作点以及化学气相沉积生长的图形的有效封装。探测器依赖于相对简单的金属-绝缘体-图形-金属-绝缘体的层状结构，这种结构潜在地可以在几乎任何衬底上进行后处理，并支持与现有结构的高度密集的单片集成，类似于等离子体调制器的示例。与大多数先前关于图形探测器的工作不同，我们展示了在无冷却条件下的空气稳定操作，使用了与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的低电压范围的栅压，这是由于直接生长的封装层结构与底部绝缘体设计的结合效果所致。通过这些器件，我们展示了132 Gbit/s的数据传输速率，这是迄今为止已知的最高速度的图形数据传输速率。高饱和功率使得高速检测成为可能。在受到射击噪声限制的通信系统中，高饱和功率可以抵消适度的响应度，因为信噪比与响应度和输入功率成正比。此外，适度的响应度可以改善。以前的自由空间照明的图形光电探测器依赖于载流子倍增或基于剥离的多层图形而达到了更高的响应度，而没有任何光学增强。因此，还有很大的空间来共同努力进一步完善这个概念，改进制造工艺，并实现更高质量的图形材料。这些努力很可能会导致新一代的基于图形的探测器，具有足够的响应度。最后，大于500 GHz的高带宽和图形的波长无关吸收使得探测器可以在从1400 nm到4200 nm及更远的范围内的任何波长上工作。这对于传感和通信都是相关的。例如，在电信领域，持续增长的数据需求导致了对新通信频段的强烈需求。这种具有紧凑尺寸和与CMOS集成能力的新型探测器可能能够满足当前迫切需求。原文详情：Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertzStefan M. Koepfli, Michael Baumann, Yesim Koyaz, Robin Gadola, Arif Gngr, Killian Keller, Yannik Horst, ShadiNashashibi, Raphael Schwanninger, Michael Doderer, Elias Passerini, Yuriy Fedoryshyn, and Juerg Leuthold.Science, 380 (6650), DOI: 10.1126/science.adg801

北京正负电子对撞机上的北京谱仪III（BESIII）实验实现了一种全新方法，为研究物质和反物质之间的差异提供了极其灵敏的探针。6月2日，相关研究成果刊发于《自然》杂志。　　论文所有匿名评审都对这一成果大加赞赏：“创新的测量方法”“很重要”“很新颖”“吸引人”“非常有前景”… … 到底是什么成果，竟让匿名评审们如此兴奋？　　不好好“组CP”的反物质　　“正反物质不对称性”是困扰科学界半个多世纪的问题，也是粒子物理学家一直在寻找的现象。他们常会提到一个词——“CP破坏”。　　“CP破坏”里的“CP”，和我们平时常说的“组CP”里的“CP”（情侣档）并不是一码事。　　130亿年前，宇宙在发生大爆炸之后迅速膨胀、冷却，大量正反粒子彼此结合、湮没。然而，就像闹了别扭的情侣一样，正反粒子在结合湮没的过程中，行为出现了一些不同。每十亿个正反粒子湮没的过程中，就有一个正物质粒子被留了下来，并最终组成了当今宇宙中所有的物质。　　科学家将正粒子和反粒子衰变过程不一样的现象，称为“CP破坏”。　　“CP破坏”的名字与李政道、杨振宁密切相关。他们提出并获得诺贝尔物理学奖的“宇称不守恒定律”认为，粒子的弱相互作用中存在“镜像”空间反射不对称性。　　在此基础上，科学家总结出了“CP破坏”。“CP破坏现象可以用来解释为什么我们的世界中只有正物质，没有反物质。”中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士王贻芳告诉《中国科学报》。　　宇宙原初反物质为何消失？　　超子CP破坏有望解谜　　自上个世纪60年代以来，国外科学家已经相继在介子系统中发现了CP破坏。可是，正反物质的不对称性并没有因此得到完美解释。　　“在构成世界的主要粒子中，介子数量很少，介子衰变时多出来的正物质并不足以形成现在的世界。”王贻芳说。　　与数量稀少的介子不同，重子是构成世界的主要粒子。“如果能在重子中找到CP破坏，我们就能够更好地理解宇宙原初反物质消失之谜。”王贻芳说。　　遗憾的是，科学家从未在重子衰变中发现过CP破坏，原因在于“弱衰变信号有时会被强相互作用掩盖”。“所以要想看到重子的CP破坏，就需要有足够高灵敏度和创新性的实验方法，把弱相互作用与强相互作用的信号区分开来。”王贻芳说。　　超子是重子中的一种，类似于质子，但寿命很短，因此不像质子那样可以存在于我们身边。在超子中，有一个名叫“科西超子”的成员，由两个奇异夸克和一个轻夸克组成，当奇异夸克发生弱衰变时，它便消失了。　　超子衰变被科学家视为“寻找CP破坏的一个很有希望的狩猎场”，因为测量CP破坏时需要的一些信息可以通过超子的衰变直接测量。　　发现了高精度测量方法　　从2009年起，BESIII实验从正负电子对撞出的“碎片”中，收集到了约100亿J/psi粒子。这种名叫“J/psi”的粒子会衰变产生正—反科西超子，之后，正—反科西超子还会继续衰变、消失。　　BESIII实验组的科研人员用了100亿粒子事例中的13亿，分析出了正—反科西超子的诞生过程，重建出7万多个正—反科西超子对。如此一来，BESIII就成了一个干净、小巧的科西超子“工厂”。　　“干净”是因为本底污染率小于千分之一水平。“小”是因为BESIII实验中，超子产额并不算多。“巧”是因为BESIII实验的敏感度足够高。　　“我们的超子产额只有美国费米实验室一个叫HyperCP实验产额的千分之一，但单事例的敏感度是HyperCP单事例的一千倍。”BES III实验发言人、中科院高能物理研究所研究员李海波说。　　在分析数据时，BESIII实验组的科研人员发现了一种高精度测量超子CP破坏的方法。　　早先，他们发现，刚衰变出来的正科西超子和反科西超子之间存在一种特殊的现象——“量子纠缠”。于是，利用这种独特的量子纠缠效应，再结合科西超子其他数据信息，实验人员不仅从海量数据中同时找出了正科西超子、反科西超子的衰变信号，还以前所未有的精度测量出正—反科西超子的不对称参数。　　“新方法解决了30年来不能同时高效地对超子和其反粒子测量的困境，也给出了更丰富的CP破坏测量结果。”李海波说。　　“这一成果已经引起国际同行的关注，相关研究人员被2021年国际轻子光子大会邀请作大会专题报告，成为这一领域的新星。”王贻芳说。　　暂未发现新物理现象，将分析更多数据　　遗憾的是，BESIII实验组此次的测量结果并没有显示出超子的CP破坏迹象。即便如此，新方法的发现依然得到了国际匿名评审的认可。　　一位匿名评审点评说：“即使尚未发现CP破坏的新迹象，但研究方法上仍然很有趣。”另一位匿名评审认为：“新方法为将来的实验指明了方向，铺平了道路。”　　“这一创新方法为我们未来确认或排除超出标准模型的CP破坏来源带来了希望。”王贻芳说。　　抱着这样的希望，实验组正在向更高的测量精度发起挑战。“我们希望在不远的将来，能够用这种测量方法发现超子CP破坏的实验证据。”王贻芳表示，BESIII实验组正在分析100亿粒子衰变数据，测量精度有望再提高3倍左右。　　目前，这支由我国主要开展研究的实验团队面临着激烈的国际竞争。　　“欧洲核子中心的大型强子对撞机底夸克探测器（LHC-b）也正在大量制造超子。不过，他们的本底污染率比我们高。”李海波告诉《中国科学报》，BESIII实验组在测量上的优势在于BESIII实验“完美的探测器设计”。　　BESIII是我国历史上最早的粒子物理大科学装置——北京正负电子对撞机上的探测器。它关注两个科学问题：夸克如何组成物质粒子和宇宙物质—反物质不对称的起源。　　王贻芳介绍，从2009年至今，BESIII实验已经发表了400余篇研究成果。该探测器计划运行到2030年。　　作为我国自主研发的大型高能实验装置，BESIII实验吸引了来自17个国家80家科研机构的约500个科研人员，是目前国内正在运行的最大国际合作组。此次发表的新成果由中国科学家和国外合作者共同完成。