超寬頻約瑟夫森微波近場掃描顯微鏡|NSR

海歸學者發起的公益學術平臺

分享資訊，整合資源

交流學術，偶爾風月

現代微波技術主要包括微波的精確生成、操控和測量，在高頻積體電路、量子計算、微波光子學等諸多領域中扮演著至關重要的角色。為了最佳化微波晶片設計，亟需檢測器件中的近場微波空間分佈，用以分析微波相互作用的機制並促進高效的訊號耦合，應對電磁相容性和訊號串擾的挑戰。目前，現有的微波成像技術包括掃描近場微波顯微鏡、氮-空位色心顯微鏡、原子氣室顯微鏡等。以上技術各有特色，但都無法同時在靈敏度、解析度、偏置磁場等情況下取得很好的平衡。約瑟夫森結是兩塊超導體被勢壘層隔開的一種結構，是超導電子學中的重要元件，包含弱連線型、三明治型、點接觸型等多種構型。約瑟夫森電流電壓關係的高度非線性使得約瑟夫森結可以用作理想的混頻器，對微波表現出極高的靈敏度，接近量子噪聲極限。當微波訊號超過約瑟夫森結的特徵頻率時，甚至能夠檢測單個微波光子。因此，將約瑟夫森結制備到奈米尺寸的探針上，為近場微波探測和成像提供了一種有效的檢測方案。

近期，南京大學超導電子學研究所吳培亨院士領導的超導電子學研究團隊成功研製了超導約瑟夫森探針顯微鏡系統，實現了微波近場檢測的高分辨成像。研究團隊為了將超導約瑟夫森結優異的高頻探測效能和掃描探針顯微技術的高空間分辨能力相結合，製備出了奈米尺寸的約瑟夫森探針。約瑟夫森探針顯微鏡為微波至毫米波頻段前沿晶片的近場電磁表徵提供了一種超寬頻、高靈敏、高分辨的全新探測手段，能夠實現微波強度、頻譜、選頻成像等多維微波檢測功能。該顯微系統有望在高頻積體電路、量子計算、自旋電子學等前沿領域發揮重要作用。

相關成果發表於《國家科學評論》2025年第2期，標題為“Ultra-broadband near-field Josephson microwave microscopy”，博士生張平為該工作第一作者，呂陽陽博士、王永磊教授和王華兵教授為該文的共同通訊作者。

圖1：約瑟夫森探針顯微鏡系統示意圖

研究團隊研製了顯微鏡系統的核心部件——奈米約瑟夫森探針。使用帶凹槽的石英管拉針和多角度蒸鍍工藝，克服了磁控濺射方向性弱的特性，在奈米尺寸的石英針尖上製備得到弱連線結構的約瑟夫森結，實現約瑟夫森探針。探針在微波輻照下表現出夏皮羅臺階的現象，證實了納米針尖上的約瑟夫森結的特性，並透過微波-電壓響應以及系統的噪聲譜特性證明製備的約瑟夫森探針具有極高的微波靈敏度。研究團隊還基於約瑟夫森結探針高度的非線性，演示了超寬頻的相干檢測。在本徵訊號與待測訊號的混頻作用下，透過讀取中頻輸出的頻譜，可獲得待測微波訊號的頻譜，頻率分辨精度可達kHz, 相干探測的微波頻率覆蓋1 GHz至200 GHz，能夠適用於多種不同的微波檢測場景。基於該約瑟夫森探針，研究團隊搭建了微波顯微鏡成像系統，並對多種器件進行了近場微波的空間成像，觀察到了清晰的共面波導駐波、壓控振盪晶片的環狀微波場分佈等現象。該微波顯微鏡系統的空間解析度達到了亞微米級別，並有進一步提升的空間。約瑟夫森探針顯微鏡在低溫下具有優異的效能引數，為極低溫量子技術提供了一種原位和無損的微波表徵和成像手段。