超宽带约瑟夫森微波近场扫描显微镜 NSR

  现代微波技能最重要的包括微波的准确生成、控制和丈量，在高频集成电路、量子核算、微波光子学等许多范畴中扮演着至关重要的人物。为了优化微波芯片规划，亟需检测器材中的近场微波空间散布，用以剖析微波相互效果的机制并促进高效的信号耦合，应对电磁兼容性和信号串扰的应战。现在，现有的微波成像技能包括扫描近场微波显微镜、氮-空位色心显微镜、原子气室显微镜等。以上技能各有特色，但都无法一起在活络度、分辩率、偏置磁场等情况下获得很好的平衡。约瑟夫森结是两块超导体被势垒层离隔的一种结构，是超导电子学中的重要元件，包括弱衔接型、三明治型、点接触型等多种构型。约瑟夫森电流电压联系的高度非线性使得约瑟夫森结可以用作抱负的混频器，对微波表现出极高的活络度，挨近量子噪声极限。当微波信号超越约瑟夫森结的特征频率时，乃至可以检测单个微波光子。因而，将约瑟夫森结制备到纳米尺度的探针上，为近场微波勘探和成像供给了一种有用的检测计划。

  近期，南京大学超导电子学研讨所吴培亨院士领导的超导电子学研讨团队成功研发了超导约瑟夫森探针显微镜体系，完结了微波近场检测的高分辩成像。研讨团队为了将超导约瑟夫森结优异的高频勘探功用和扫描探针显微技能的高空间分辩才能相结合，制备出了纳米尺度的约瑟夫森探针。约瑟夫森探针显微镜为微波至毫米波频段前沿芯片的近场电磁表征供给了一种超宽带、高活络、高分辩的全新勘探手法，可以在必定程度上完结微波强度、频谱、选频成像等多维微波检测功用。该显微体系有望在高频集成电路、量子核算、自旋电子学等前沿范畴发挥重要效果。

  相关效果发表于《国家科学谈论》2025年第2期，标题为“Ultra-broadband near-field Josephson microwave microscopy”，博士生张平为该作业榜首作者，吕阳阳博士、王永磊教授和王华兵教授为该文的一起通讯作者。

  研讨团队研发了显微镜体系的核心部件——纳米约瑟夫森探针。运用带凹槽的石英管拉针和多角度蒸镀工艺，克服了磁控溅射方向性弱的特性，在纳米尺度的石英针尖上制备得到弱衔接结构的约瑟夫森结，完结约瑟夫森探针。探针在微波辐照下表现出夏皮罗台阶的现象，证明了纳米针尖上的约瑟夫森结的特性，并经过微波-电压呼应以及体系的噪声谱特性证明制备的约瑟夫森探针具有极高的微波活络度。研讨团队还根据约瑟夫森结探针高度的非线性，演示了超宽带的相干检测。在本征信号与待测信号的混频效果下，经过读取中频输出的频谱，可获得待测微波信号的频谱，频率分辩精度可达kHz, 相干勘探的微波频率掩盖1 GHz至200 GHz，可以适用于多种不同的微波检测场景。根据该约瑟夫森探针，研讨团队搭建了微波显微镜成像体系，并对多种器材进行了近场微波的空间成像，调查到了明晰的共面波导驻波、压控振动芯片的环状微波场散布等现象。该微波显微镜体系的空间分辩率达到了亚微米等级，并有逐渐提高的空间。约瑟夫森探针显微镜在低温下具有优异才能的功用参数，为极低温量子技能供给了一种原位和无损的微波表征和成像手法。