單光子探測是量子科學、量子網絡、生物成像與深空探測的核心支撐技術，實現低能光子（近紅外、中紅外至微波）的單光子級檢測一直是領域內的核心難題。傳統單光子探測器依賴光子激發跨越半導體帶隙或超導能隙完成信號轉換，超導納米線與動電感探測器則通過打破庫珀對實現響應，但能隙的存在從原理上限制了低能光子的有效探測，且難以兼顧高量子效率與極低暗計數。熱探測方案（如過渡邊傳感器）可規避能隙限制，但常規材料電子密度高、電子-聲子耦合強，熱容過大導致單光子引發的溫升信號被淹沒，無法實現單光子分辨。石墨烯作為二維狄拉克材料，在電荷中性點附近呈現狄拉克電子態密度趨近于零的獨特屬性，電子熱容極低（~1 kB/μm2）且電子-聲子耦合被顯著抑制，單光子能量可引發電子溫度顯著躍升，為單光子熱測提供了理想物理基礎。
據麥姆斯咨詢報道，近日，美國麻省理工學院（MIT）、韓國浦項科技大學（Pohang University of Science and Technology）和美國東北大學（Northeastern University）的研究團隊首次利用石墨烯狄拉克費米子的熱學特性實現近紅外單光子熱探測。研究團隊構建石墨烯-約瑟夫森結混合器件，借助單光子吸收引發的電子溫升觸發約瑟夫森結超導-阻態切換，在1550 nm波段實現87%本征量子效率、暗計數低于1次/秒（最優條件下每周1次），等效噪聲等效功率低至2×10?22 W/√Hz，最高工作溫度達1.2 K。該研究突破傳統探測器的能隙束縛，為中紅外至微波低能光子探測、暗物質探測與深空紅外科學開辟全新路徑。相關研究成果以“Thermal detection of single photons using Dirac fermions”為題發表在Nature Communications期刊上。
器件架構與單光子熱探測物理機制
狄拉克費米子單光子測輻射熱計探測器架構為六方氮化硼（hBN）/石墨烯/hBN范德華異質結集成約瑟夫森結（GJJ），采用垂直堆疊結構。利用上下hBN封裝層隔絕環境雜質、保護石墨烯并提供介電隔離；石墨烯吸收層作為狄拉克費米子工作通道，吸收光子并產生電子溫升；MoRe超導電極形成約瑟夫森結，作為溫度敏感讀出單元；石墨背柵與Si襯底可靜電調控石墨烯載流子濃度，定位至電荷中性點以實現最低熱容。
石墨烯狄拉克電子的超低熱容是實現單光子溫升的核心：單個1550 nm光子能量被石墨烯吸收后，電子溫度可瞬時升高至～2 K，遠高于晶格溫度。該溫升信號以熱擴散形式傳遍石墨烯通道，作用于約瑟夫森結勢壘，觸發結區從超導態向阻態切換，產生可讀取電壓脈沖，完成單光子事件的電學記錄。該機制完全擺脫能隙限制，僅依賴熱學響應實現低能光子檢測，從原理上兼容中紅外至微波全波段拓展。
單光子測輻射熱計性能驗證
為驗證單光子測輻射熱計的單光子熱探測效果，研究人員在激光掃描石墨烯的過程中，通過測量開關速率Γ來研究光子吸收過程。圖2展示了激光掃描石墨烯上的光束光斑。
圖2 激光掃描石墨烯上的光束光斑
狄拉克費米子單光子測輻射熱計的性能取決于電子密度。圖3展示了單光子測輻射熱計性能對電子密度的依賴性。研究人員還通過分析η與Γ暗計數之間相互制衡的權衡空間、η對Ib的依賴性來近似單個光子溫升，來評估狄拉克費米子單光子測輻射熱計的性能。
https://doi.org/10.1038/s41467-026-70648-0
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