魔角石墨烯：单光子探测新利器！

【研究背景】

莫尔超导体魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）是一种独特的二维材料，因其超导特性被广泛应用于量子计算、量子传感和量子计量等领域。与传统的超导材料相比，MATBG具有超低的载流子密度（约10¹¹个每平方厘米），比传统超导体低五个数量级，这赋予其极低的电子热容和较大的动电感，从而在热传感和单光子探测等量子传感应用中表现出优异的性能。然而，由于该材料的电子相互作用复杂且其超导机制尚未完全理解，MATBG的实际应用仍面临着低效光子探测等问题，带来了如何高效利用其超导特性的挑战。

近日，来自雷神BBN技术公司的Dmitri K. Efetov教授的研究团队在魔角扭曲双层石墨烯的量子传感研究中取得了新进展。该团队设计了一种电压偏置的MATBG器件，并成功实现了单个近红外光子的探测。通过将器件的工作点调节至其超导相变附近，研究人员观察到即使在16平方微米的小面积器件中，单个光子的吸收也会导致超导态的完全破坏，展现出极高的灵敏度。利用这种机制，显著提高了MATBG在单光子探测中的性能，成功验证了其在量子传感领域的应用潜力。

【表征解读】

本文通过超导材料与光子相互作用的原理，具体来说，利用魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）的独特超导特性，首次研发了基于该材料的单光子探测器。该探测器能够有效地表征并发现单个近红外光子的吸收现象，最终揭示了MATBG在量子传感应用中的巨大潜力。

针对MATBG在超导状态下的光响应现象，本文通过电压偏置实验进行分析，得到了超导态在单个光子吸收时的完全破坏。这一发现不仅展示了MATBG的极高灵敏度，还为理解其超导机制提供了新的视角。研究表明，MATBG的载流子密度极低（约10¹¹ cm⁻²），这使得其电子热容极低，动电感极大，从而在吸收光子时能引发显著的电学响应。

在此基础上，本文通过传递矩阵形式、光子吸收率估算等表征手段，深入研究了MATBG的超导相与光子之间的相互作用。这些研究结果为未来量子设备的开发提供了新的思路，特别是在热传感和单光子探测领域。通过这项研究，我们不仅揭示了MATBG的光子探测能力，还为超导材料在量子技术中的应用开辟了新的方向。

最终，本文的工作为莫尔超导体的潜在应用奠定了基础，展示了如何利用其独特的超导特性进行高灵敏度的量子探测。这些发现将推动对非常规超导相的进一步研究，并为未来量子技术的发展提供重要的理论支持和实验依据。

【图文速递】

图1：超导MATBG作为超灵敏SPD材料。

图2：光诱导点击的统计数据。

图3：超导MATBG的单光子灵敏度。

图4: 探测器在高温下的性能。

【结论展望】

本文通过引入计算内存（CIM）技术和二维全铁电门控混合CIM平台，研究展示了如何有效减少数据传输延迟，提升计算效率和能效。与传统计算方式相比，这种混合CIM平台将数字逻辑和模拟计算紧密集成，不仅优化了内存和处理单元的协同工作，还在性能和功耗上表现出显著优势。

特别是，通过开发具有高开关比、优越耐久性和低功耗的FeFETs，并结合二维MoS₂原子薄通道，该平台实现了超长的耐久周期和低的变化率。这些技术突破不仅提升了数据处理的精度，还为应对日益复杂的AI任务（如动态目标跟踪）提供了强有力的支持。这表明，二维铁电材料和混合CIM系统的结合具有广泛的应用潜力，可以推动未来AI硬件的创新发展，实现高效、精准的计算解决方案。这些进展将有助于实现更智能化的计算系统，为应对更复杂的数据处理挑战奠定了坚实基础。

文献信息：Giorgio Di Battista et al. ,Infrared single-photon detection with superconducting magic-angle twisted bilayer graphene.Sci. Adv.10,eadp3725(2024).DOI:10.1126/sciadv.adp3725