分享信息，整合资源
交流学术，偶尔风月
现代微波技术主要包括微波的精确生成、操控和测量，在高频集成电路、量子计算、微波光子学等诸多领域中扮演着至关重要的角色。为了优化微波芯片设计，亟需检测器件中的近场微波空间分布，用以分析微波相互作用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挑战。目前，现有的微波成像技术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。以上技术各有特色，但都无法同时在灵敏度、分辨率、偏置磁场等情况下取得很好的平衡。约瑟夫森结是两块超导体被势垒层隔开的一种结构，是超导电子学中的重要元件，包含弱连接型、三明治型、点接触型等多种构型。约瑟夫森电流电压关系的高度非线性使得约瑟夫森结可以用作理想的混频器，对微波表现出极高的灵敏度，接近量子噪声极限。当微波信号超过约瑟夫森结的特征频率时，甚至能够检测单个微波光子。因此，将约瑟夫森结制备到纳米尺寸的探针上，为近场微波探测和成像提供了一种有效的检测方案。
近期，南京大学超导电子学研究所吴培亨院士领导的超导电子学研究团队成功研制了超导约瑟夫森探针显微镜系统，实现了微波近场检测的高分辨成像。研究团队为了将超导约瑟夫森结优异的高频探测性能和扫描探针显微技术的高空间分辨能力相结合，制备出了纳米尺寸的约瑟夫森探针。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提供了一种超宽带、高灵敏、高分辨的全新探测手段，能够实现微波强度、频谱、选频成像等多维微波检测功能。该显微系统有望在高频集成电路、量子计算、自旋电子学等前沿领域发挥重要作用。
相关成果发表于《国家科学评论》2025年第2期，标题为“Ultra-broadband near-field Josephson microwave microscopy”，博士生张平为该工作第一作者，吕阳阳博士、王永磊教授和王华兵教授为该文的共同通讯作者。
图1：约瑟夫森探针显微镜系统示意图
研究团队研制了显微镜系统的核心部件——纳米约瑟夫森探针。使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，在纳米尺寸的石英针尖上制备得到弱连接结构的约瑟夫森结，实现约瑟夫森探针。探针在微波辐照下表现出夏皮罗台阶的现象，证实了纳米针尖上的约瑟夫森结的特性，并通过微波-电压响应以及系统的噪声谱特性证明制备的约瑟夫森探针具有极高的微波灵敏度。研究团队还基于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作用下，通过读取中频输出的频谱，可获得待测微波信号的频谱，频率分辨精度可达kHz, 相干探测的微波频率覆盖1 GHz至200 GHz，能够适用于多种不同的微波检测场景。基于该约瑟夫森探针，研究团队搭建了微波显微镜成像系统，并对多种器件进行了近场微波的空间成像，观察到了清晰的共面波导驻波、压控振荡芯片的环状微波场分布等现象。该微波显微镜系统的空间分辨率达到了亚微米级别，并有进一步提升的空间。约瑟夫森探针显微镜在低温下具有优异的性能参数，为极低温量子技术提供了一种原位和无损的微波表征和成像手段。
图2：不同器件中的近场微波分布