Single-photon detection enabled by negative differential conductivity in moiré superlattices

超晶格 光电子学 光子学 光子 石墨烯 材料科学 光子计数 物理 光学 纳米技术
作者
Krystian Nowakowski,Hitesh Agarwal,Sergey Slizovskiy,Robin Smeyers,Xueqiao Wang,Zhiren Zheng,Julien Barrier,David Barcons Ruiz,Geng Li,Riccardo Bertini,Matteo Ceccanti,Iacopo Torre,Bert Jorissen,Antoine Reserbat‐Plantey,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Lucian Covaci,M. V. Miloševıć,Vladimir I. Fal’ko,Pablo Jarillo‐Herrero
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:389 (6760): 644-649 被引量:3
标识
DOI:10.1126/science.adu5329
摘要

Detecting individual light quanta is essential for quantum information, space exploration, advanced machine vision, and fundamental science. In this work, we introduce a single-photon detection mechanism using highly photosensitive nonequilibrium electron phases in moiré materials. Using tunable bands in bilayer graphene/hexagonal boron nitride superlattices, we engineer negative differential conductance and a sensitive bistable state capable of detecting single photons. Operating in this regime, we demonstrate single-photon counting at mid-infrared (11.3 micrometers) and visible wavelengths (675 nanometers) and temperatures up to 25 kelvin. This detector offers prospects for broadband, high-temperature quantum technologies with complementary metal-oxide semiconductor compatibility and seamless integration into photonic-integrated circuits. Our analysis suggests that the underlying mechanism originates from superlattice-induced negative differential velocity.
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