陆军资助的研究开发了一种石墨烯热辐射计传感器，其灵敏度比现有的商用传感器高10万倍。微波辐射探测是热成像、电子战、无线电通信和雷达等领域的关键技术，但探测灵敏度限制了这些系统的性能。图片来源：雷神BBN技术公司

为了更好地探测微波辐射将改善热成像、电子战、无线电通信。军方资助的研究开发了一种新的微波辐射传感器，其灵敏度比现有的商用传感器高10万倍。研究人员说，更好地探测微波辐射将有助于改进热成像、电子战、无线电通信和雷达。

研究人员将他们的研究发表在同行评议的《自然》杂志上。该团队包括来自哈佛大学、光子科学研究所、麻省理工学院、浦项科技大学和雷神BBN技术公司的科学家。军方部分资助了利用石墨烯对微波辐射的巨大热响应来制造这种辐射热计的工作。

美国陆军作战能力发展单位陆军研究室固态电子和电磁学项目经理乔邱博士说：“根据这个项目开发的微波辐射热计非常灵敏，能够探测到单个微波光子，这是自然界中能量最小的一个。”司令部的陆军研究实验室。“这项技术有可能为量子传感和雷达等应用提供新的能力，并确保美国陆军在可预见的未来保持频谱优势。”

热辐射计通过测量光子被吸收到传感器中时的温升来检测电磁辐射。研究小组利用石墨烯对微波辐射的巨大热响应来制造这种测辐射热计。图片来源：雷神BBN技术公司

石墨烯辐射热计传感器通过测量光子被吸收到传感器中时的温升来检测电磁辐射。石墨烯是一种二维、单原子层厚的材料。研究人员通过在微波天线中加入石墨烯实现了高热辐射计的灵敏度。

研究人员说，这一进展的一个关键创新是通过超导约瑟夫森结测量温升，同时通过天线保持高微波辐射耦合到石墨烯中。耦合效率在高灵敏度探测中至关重要，因为“每一个宝贵的光子都很重要。”

约瑟夫森结是一种量子力学器件，由两个超导电极（薄绝缘隧道势垒、普通金属、半导体、铁磁体等）隔开。

在这个项目下开发的微波辐射热计能够探测到一个单一的微波光子，这是自然界中最小的能量。图片来源：雷神BBN技术公司

石墨烯中的电子除了很薄之外，还处于一种非常特殊的能带结构中，在这种结构中，价带和导带只在一个点相遇，即狄拉克点。

雷神BBN技术公司的金钟芳博士说：“那里的态密度消失了，所以当电子接收到光子能量时，温升很高，而热泄漏很小。”。

随着测辐射热计探测器灵敏度的提高，本研究为提高雷达、夜视、激光雷达、通信等电磁信号检测系统的性能开辟了一条新的途径。它还可以使量子信息科学、热成像以及暗物质搜索等新的应用成为可能。

DOI:10.1038/s41586-020-2752-4

麻省理工学院士兵研究所的工作包括纳米技术。美国陆军于2002年建立了该研究所，作为一个跨学科研究中心，旨在显著提高士兵以及士兵支持平台和系统的保护、生存能力和任务能力。