中国超导电子学研究及应用进展

超导体的发现距今已有近110年了,高温超导体的发现也已经有30多年了.超导材料的电子学应用在最近一二十年取得了突破性进展.高温超导微波器件显示了比传统微波器件更优越的性能,已经在移动通信、雷达和一些特殊通信系统中取得了规模化应用.超导量子干涉器件以其磁场和电流测量的超高灵敏度,成为地质勘探、磁共振成像和生物磁成像等领域不可替代的手段.包括超导隧道结混频器、超导热电子混频器、超导转变沿探测器及超导单光子探测器等在内的超导传感器/探测器可以探测全波段的电磁波及各种宇宙辐射,具有接近量子极限的超高灵敏度,在地球物理、天体物理、量子信息技术、材料科学及生物医学等众多前沿领域发挥越来越重要的作用.超导参量放大器已经成为实现超导量子计算的关键器件.超导集成电路技术已被列入国际器件与系统技术路线图,成为后摩尔时代微电子领域的前沿阵地之一.在计量科学中,超导约瑟夫森效应及约瑟夫森结阵器件被广泛应用于量子电压基准和国际单位制基本单位的重新定义中.在当前的量子信息技术热潮中,超导电子学扮演重要角色,同时量子热潮也大力推动了超导电子学的发展.本文主要对近几年我国超导电子学研究和应用的现状与进展进行概括总结.

超导纳米线单光子探测器研究新进展

现代科学技术已经发展到利用单个光子的量子态载运信息和进行计算.因此,高效、灵敏地探测单个光子是量子计量、量子通信、非线性光学等量子信息科学研究中最基础的技术之一.超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种新型单光子检测器,具有暗计数低、探测速率高、检测频谱宽等优点,在众多领域存在潜在应用.本文概述了超导单光子探测器的工作机制和理论模型,重点介绍了兼容4inch硅工艺的SNSPD器件的关键技术工艺,如器件设计、材料结构、制备工艺和封装技术等.研制的超导单光子探测器,在1550nm波段,系统的单光子检测效率最高达到75%,暗计数小于100cps,与国际最好水平相当.在不断提高SNSPD性能研究的同时,还开展了利用SNSPD进行光子数分辨的研究,以及将其应用于光时域反射仪(OTDR)中,进行长距离光纤状态的分析和检测研究.

基于超导纳米线单光子探测器深空激光通信模型及误码率研究

高速深空通信是深空探测的关键技术之一,具备单光子灵敏度的激光通信系统将大大提高现有的深空通信速度.然而,单光子条件下的激光通信不仅需要考虑传输环境的影响,还需要考虑实际单光子探测器性能和光子数量子态的分布.本文在不考虑大气湍流影响的情况下,以光电探测模型为基础,引入超导纳米线单光子探测器(SNSPD)系统的探测效率和暗计数,建立了反应系统差错性能的数学模型,提出了系统误码率的计算公式.先对公式中的光强和激光脉冲重复频率对误码率的影响进行仿真,再通过实验结果验证仿真模型.结果表明,光强对误码率的影响最明显,随着光强从0.01光子/脉冲到1000光子/脉冲的增加,误码率从10^(-1)到10^(-7)量级明显下降;激光脉冲重复频率对误码率的影响受到不同光强的制约,但都随着脉冲重复频率的增加呈下降趋势.与此同时,当增加光强或者提高速度时,误码率高于仿真结果,约在10^(-4)量级,其原因可能是实际通信中调制光信号的消光比不足和光纤引入背景噪声提高了系统暗计数.以上模型和实验结果为进一步开展基于SNSPD的月球-地球、火星-地球等高速深空激光通信奠定了基础.

Nb/AlOx-Al/Nb超导隧道结制备氧化工艺与特性研究

提出一种氧的等离子氧化的方法改善结区边缘绝缘性能,降低超导隧道结的漏电流。对Al膜进行等离子氧化能够有效的改善氧化膜的绝缘性能,AES分析表明:氧化绝缘层均匀,界面清晰;应用此方法成功制备出较好性能的Nb隧道结。

Al/AlO_x/Al超导隧道结的制备工艺研究

研究了在高阻硅衬底上Al/AlO x/Al隧道结的制备技术,采用电子束蒸发制备Al/AlO x/Al三层材料,湿法刻蚀制备底电极和上电极以及电路连线,PECVD法生长绝缘层(SiO2)保护超导隧道结,RIE刻蚀上电极窗口。在400mK温度下测量了Al/AlO x/Al隧道结样品,得到了较好的隧道结I-V曲线,能隙电压Vg为0.325mV,超导临界电流I c为55nA,漏电流为5nA。

面向机载平台的小型超导单光子探测系统

面对宽幅地形测绘和空基大气测量等应用的需求,迫切需要发展能够适应机载平台的低功耗的小型化单光子探测系统.超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因性能优异,已被应用到量子信息、深空通信和远程激光雷达等领域.然而,常规SNSPD所需低温系统的体积和重量均较大,不易于应用到机载平台.截至目前,国际上还未出现应用于机载平台的SNSPD的相关报道.本文设计并制备了工作温度为4.2 K的SNSPD.超导探测器芯片是光敏面积为60 μm×60 μm的四通道光子数可分辨器件,通过光束压缩系统耦合到直径200 μm的光纤,在温度为4.2 K时量子效率大于50%@1064 nm.最后,测试了单个通道的时间特性,在不同光子数响应的情况下得到了不同的时间抖动,其中四光子响应时的时间抖动最小,半高宽为110 ps.该工作不仅可支撑机载应用,而且对于推动发展通用的小型化SNSPD系统及其应用具有积极意义.

太赫兹波段的L-,D-,DL-丙氨酸振动光谱研究

利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)技术,对L-,D-,DL-α-丙氨酸晶体粉末进行了太赫兹光谱的室温测量。在0.3～3.0THz范围内,观察到数个吸收峰,发现其两种旋光体(L-,D-丙氨酸)与其外消旋化合物(DL-丙氨酸)在吸收峰上有较大差异。同时,运用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算,对丙氨酸的3种样品进行了振动光谱的理论模拟,得到了与实验数据较为吻合的结果,指出THz波段的吸收光谱是来源于通过氢键作用产生的分子集体振动。

磷化铟(InP)在太赫兹波段的特性研究

太赫兹(THz)时域光谱(TDS)技术,能同时测量幅值和相位信息,因而能检测到物质丰富的物理化学性质,已逐渐成为科学界一大热点。磷化铟(InP)因其载流子寿命短、质量小等优良性能,正逐渐成为产生和检测THz波辐射的首选光电导材料之一。文章利用THz-TDS测试技术,在室温氮气环境中,对n型0.35Ω.cm的InP材料在0.2～4THz波段的特性进行了研究。文章根据物理传输模型,利用更准确的迭代方式,选用新的初始值,更快更准确的得到了复折射率,介电常数,电导率等THz光学常数,并且用Drude模型进行了理论上的模拟计算,所得结果与实验吻合很好,最后还得到了载流子的寿命、迁移率和浓度等THz重要参数。

超导磁通量子比特中的共振隧穿现象

在20mK的低温下,在由Nb/AlOx/Nb结构成的磁通量子比特样品上,通过初态的制备,成功观测到了双势阱中的共振隧穿现象。这一现象在不同的势垒高度下,都得到了证实。通过对共振峰随时间演化的测量,发现其演化受到隧穿概率与分布概率的影响。

低通、带通电路在超导磁通量子比特测量中的应用

在测量超导磁通量子比特信息时,给出了低通和带通两种测量电路。低通电路采用双绞线,通过RC滤波器、铜粉滤波器,再接到样品上。该方法可以用于测量DC-SQUID结的跳变电流统计分布,从而获知量子比特的信息。带通电路用微波同轴线作为导线,通过衰减器、铜粉滤波器到样品上,再通过电容接地。该方法可以用于测量超导量子比特的量子化能级、迟豫时间、Rabi振荡等特性。

超导磁通量子比特中的光子辅助隧穿

在极低温的条件下(T=20mK),对Nb/Al0x/Nb构建的超导磁通量子比特进行微波辐照,观察到了光子辅助隧穿。光子辅助隧穿的现象和共振隧穿有着很好的对应关系,证实了超导磁通量子比特中的量子化能级。改变微波功率,进一步得到了多光子作用下的光子辅助隧穿。

超导单光子探测器暗计数对激光测距距离的影响

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种新型单光子探测器,具有灵敏度高、时间精度高、探测速度快和暗计数低等特点,在激光测距等领域具有重要应用前景.本文将SNSPD应用到1064 nm波段激光测距系统,研究了其暗计数和信噪比对激光测距的影响.基于实验获得的回波数据,结合激光雷达理论,研究了系统信噪比与脉冲积累次数的关系.分析表明,SNSPD暗计数是影响测距距离的关键因素之一.结合仿真,进一步探究了基于SNSPD的激光测距系统信噪比与回波率、暗计数的关系,暗计数较大时,信噪比随脉冲积累次数增加出现波动现象,回波信号湮没.由于SNSPD暗计数极低,本基于SNSPD的测距系统最远测距可达280 km,较同样条件下基于APD探测器的测距系统最远探测距离远40 km,在军事侦查、探测和制导等领域具有重要应用前景.

Nb/Al-AlO_x/Nb隧道结制备中压控电压源阳极氧化工艺研究

采用计算机程控的压控电压源阳极氧化模式研究制备出自对准Nb/Al-AlOx/Nb隧道结的绝缘层Nb2O5/Al2O3/Nb2O5。研究了氧化电压、氧化层的厚度和氧化时间的关系。当阳极氧化电压变化率低于8V/min时,阳极氧化层的厚度基本取决于氧化电压的大小,而与氧化电压变化率无关。我们已采用电压源阳极氧化技术成功制备出超导Nb/Al-AlOx/Nb隧道结。

超高交联树脂的太赫兹光谱研究

本文对超高交联树脂的太赫兹光谱进行了研究.对树脂本体的测量表明在1THz附近其存在一个宽化的弱吸收峰。当树脂吸附了弱酸性的苯酚后,树脂微孔与苯酚分子发生相互作用,使树脂的吸收峰的强度发生明显的变化,这个结果说明太赫兹光谱可以用来研究表面吸附现象,这对物理化学和环境化学有重要的意义。

基于Sine-Gordon方程的三角形势垒层平面约瑟夫森结仿真

通过数值计算的方法求解Sine-Gordon方程,模拟研究了势垒层平面为三角形形状的约瑟夫森结在磁场下的超导层间相位差动态分布情况,以及结电流电压特性和超导电流(约瑟夫森隧道电流)分布特性。文中给出了详细的仿真模型构建过程、初始条件设置,以及主要伪代码。仿真结果可以得出,在平行于结势垒层平面磁场下,约瑟夫森结边界尖角位置相比于长边位置更易于结中约瑟夫森磁通的流动进出。

极低温下高灵敏太赫兹探测阵列的信号读出

太赫兹(THz)波段的高灵敏探测器在诸多前沿领域中有着巨大的应用价值。超导量子电容探测器(QCD)是一种在THz波段具备单光子探测能力的高灵敏直接探测器,且可实现大规模阵列。对阵列而言,可靠的读出技术是其性能发挥的基本保障。本研究利用零差读出技术进行了QCD信号读出与表征。微波同相正交(IQ)混频器是零差读出电路的重要组成元件,故对IQ混频器进行了详细表征与校准,通过排除其不平衡性对探测器信号读出的影响,提高了测量的可靠性。在此基础上,对QCD的THz响应信号进行了测量,结果显示QCD响应信号与理论预期结果高度一致。此外,所构建的零差读出电路还可用于高灵敏超导微波动态电感探测器(MKID)阵列等极低温(15 mK以下)探测器的信号读出,为高灵敏THz探测器的开发奠定了良好的基础,具有较高的应用价值。

联产混合电解水策略实现节能电化学制氢的最新进展

随着全球能源需求增长和环境污染加剧,发展可持续能源减少对化石燃料(如石油、天然气和煤炭等)的消耗成为实现人类社会可持续发展的关键.氢能因其能量密度高、燃烧无污染、应用形式多样被认为是最理想的替代能源.电解水制氢包括阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER),具有绿色环保、生产灵活和纯度高等特点,是理想的绿色生产技术之一.然而,阳极电解水产氧反应动力学缓慢,导致阴极的产氢效率低.此外,在电解水过程中,会产生高氧化性的过氧化氢(H_(2)O_(2)),降低电解水膜的寿命,阻碍电解水技术的实际应用.因此,亟待开发新型高效、稳定且具有高附加值的电解水催化剂.目前,电化学整体水分解(OWS)制氢技术存在安全风险、投资回报低、阳极OER动力学慢和电能消耗大等问题,将阳极氧化反应与混合电解水(HWE)装置中的HER相结合,借助热力学较好的电氧化反应取代缓慢的传统OER反应协同产氢,可以有效克服传统电解水的产率不足,解决污染排放和生物质回收问题.本文综述了协同电催化用于联产氢气和低能耗、高法拉第效率高价值产品的催化剂结构设计,揭示不同协同电催化系统的催化途径和意义,以实现更高效、零碳排放的目标.首先,介绍了HWE系统的发展现状,重点关注各种富氢物质的协同电解,例如酒精、生物质衍生物、葡萄糖和在阳极形成的高附加值化学品.与传统阳极OER工艺相比,有机/生物质底物小分子的OER表现出较低的热力学需求,降低产氢能耗.随后,详细介绍了基于阴极HER和阳极OER协同电解反应、协同催化HWE高效电极/电催化剂的合理设计,以实现高催化活性、高选择性和良好的电化学稳定性.重点讨论了新型电极/电催化剂设计、活性改进以及结构-催化活性关系提升的合成策略.再后,讨论了基于有机/生物质小分子协同HWE系统电催化的代表性研究进展和突破,强调了其在促进可持续低压制氢方面的重要作用,并回顾了近年来HWE的研究突破,同时,对一些可行性分析和机理探索进行比较,为制氢提供了新的研究方向.最后,提出了协同电催化制氢面临的挑战并展望未来的研究方向.综上,大多数电催化剂存在催化活性低、稳定性差等问题,要实现可持续、经济高效和清洁的产氢技术,仍有很多方面需要进一步的深入研究.本文综述了高效多功能HWE系统发展现状和催化剂结构设计,为电解水制氢和高附加值产品的节能联产提供一定的参考.

β-内酰胺类抗生素药物的太赫兹光谱

β-内酰胺类是临床上应用最广泛的抗生素，具有广谱、高效和安全的特点。抗生素的鉴剐和质量检查非常重要。相比其他光谱手段，太赫兹光谱具有许多独特的优势。利用太赫兹时域光谱（THz—TDS）技术在常温下研究了6种临床常用抗生素类药物，获得了它们的太赫兹吸收光谱。测试结果表明：即使分子结构相似，但它们的太赫兹光谱具有明显不同的特征，说明THz—TDS技术能够鉴别这种分子结构的微小差异，可以很好地用于药品检测和分析，在药品的研制、生产和鉴别方面具有很好的应用前景。最后利用Gaussian03软件计算了青霉素钠分子在0．2～2．5THz的振动吸收光谱，与实验结果进行比较，并对其振动模式进行指认。

基于远红外激光源的太赫兹成像

太赫兹波可以穿透许多物质,相对于可见光和X射线具有非常强的互补特征,在成像方面的应用前景非常广阔。介绍了一种基于透射谱的连续波太赫兹成像系统,并利用该系统做了一些实验探索。

极端的手段、极端的目标——超导电子器件及其应用

超导电性既是物理学中一个光彩夺目的领域,也是电力工程和电子学中许多独特的新应用的源泉.工作于液氦或液氮温区的超导电子器件,固然有赖于"低温"的极端手段,却能在灵敏度、频带宽度、响应速率等方面达到极端的目标.文章以液氦温区超导体为主,简述了有关的电子器件的基本原理和应用类型,并展示了其发展前景,以纪念超导现象发现一百周年.