探測(cè)中紅外波段光子的能力為研究和應(yīng)用開(kāi)啟了巨大的新機(jī)遇

科學(xué)家近30年來(lái)一直在研究使用超導(dǎo)材料“記錄”單個(gè)光子。然而，這些探測(cè)器由直徑只有人類頭發(fā)千分之一的超冷納米線組成，只能“記錄”可見(jiàn)光和波長(zhǎng)稍長(zhǎng)的近紅外（NIR）單光子。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的研究人員現(xiàn)已證明，通過(guò)改變這些納米線的組成，改進(jìn)的探測(cè)器可以有效“記錄”波長(zhǎng)達(dá)10微米的單個(gè)光子，比以前捕捉的光子波長(zhǎng)長(zhǎng)5倍。這些不可見(jiàn)光波屬于電磁波譜的中紅外部分（見(jiàn)上圖），當(dāng)物體輻射熱量時(shí)就會(huì)發(fā)射出這類光波。人體的大部分熱量輻射光波在10微米左右。

探測(cè)中紅外波段光子的能力為研究和應(yīng)用開(kāi)啟了巨大的新機(jī)遇，這些研究包括：加強(qiáng)對(duì)其他行星上生命化學(xué)跡象的搜索，在漆黑環(huán)境中對(duì)車輛的隱形導(dǎo)航，以及對(duì)暗物質(zhì)的搜索，這種看不見(jiàn)的物質(zhì)被認(rèn)為占據(jù)了宇宙總質(zhì)量的80%。

試圖了解星球演化和氣候變化的地球科學(xué)家，以及尋找太陽(yáng)系外生命跡象的天文學(xué)家們，均對(duì)探測(cè)中紅外單光子的能力特別感興趣。這是因?yàn)樵S多可能表明生物活性的分子都有特殊的“指紋”——這些分子的存在和豐度可以通過(guò)其吸收的特定中紅外光波來(lái)識(shí)別。

天文學(xué)家在太陽(yáng)系之外尋找生物活動(dòng)跡象時(shí)，會(huì)“記錄”遙遠(yuǎn)恒星透過(guò)環(huán)繞行星的大氣層發(fā)出的極其微弱的光。如果大氣層中可能存在生命的化學(xué)跡象，包括水蒸氣、二氧化碳、氧氣、臭氧、甲烷和一氧化二氮等；那么大氣層就會(huì)吸收中紅外光子，通過(guò)監(jiān)測(cè)環(huán)繞地球運(yùn)行的望遠(yuǎn)鏡所接收的光譜就能發(fā)覺(jué)。雖然天基望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)使用傳統(tǒng)的中紅外光子探測(cè)器來(lái)識(shí)別這些吸收光譜，但這些儀器缺乏單光子探測(cè)器的精度，這對(duì)于光強(qiáng)水平較低時(shí)可能至關(guān)重要的。

例如，假設(shè)恒星發(fā)射10,000個(gè)光子穿過(guò)了行星的大氣層（在這個(gè)光子數(shù)中，約有1%即100個(gè)光子的不確定性）。如果大氣中含有二氧化碳，那么在特定的中紅外吸收光譜中，將顯示出大約衰減了500個(gè)光子。光子將一路穿過(guò)大氣層，并到達(dá)環(huán)繞地球望遠(yuǎn)鏡中的探測(cè)器，從而觸發(fā)電流并被放大，以讀出信號(hào)輸出。

傳統(tǒng)的光子探測(cè)器存在與電子放大器相關(guān)的額外噪聲。如果放大器產(chǎn)生的噪聲產(chǎn)生了500個(gè)電子雜散信號(hào)，那就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)大問(wèn)題：噪聲和信號(hào)（假設(shè)的行星大氣光子吸收）一樣大。

相比之下，超導(dǎo)納米線探測(cè)器的讀出噪聲就要低很多。當(dāng)單個(gè)光子被吸收時(shí)，超導(dǎo)性在器件中會(huì)被暫時(shí)破壞，并產(chǎn)生出很易測(cè)量的小電流脈沖。其他研究表明，這種讀出技術(shù)的誤讀率可能每天不到1次。

這些單光子探測(cè)器在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)也非常穩(wěn)定，這對(duì)許多天文學(xué)研究來(lái)說(shuō)是額外的優(yōu)勢(shì)：對(duì)行星大氣層的觀測(cè)通常需要數(shù)個(gè)完整軌道周期進(jìn)行探測(cè)。

該納米線直徑僅有50到100納米，由硅化鎢薄膜制成。冷卻到絕對(duì)零度以上幾度，這種材料就可以達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)。這意味著納米線中的電子只需從入射光子中吸收少量的能量即可產(chǎn)生電信號(hào)。同時(shí)低溫也限制了探測(cè)器中的隨機(jī)電子噪聲，這種特性在如此低光量的傳感應(yīng)用中非常重要。

探測(cè)中紅外光子的主要挑戰(zhàn)之一：每顆紅外光粒子所攜帶的能量要比可見(jiàn)光光子少得多。為了補(bǔ)償較低的能量，NIST研究員Varun Verma和同事們降低了納米線中可吸收光子的電子密度。由于可用電子較少，任何一個(gè)電子吸收的光子總能量比例可能會(huì)更高，從而增加了當(dāng)紅外光子撞擊探測(cè)器時(shí)，電子有足夠的能量穿過(guò)超導(dǎo)能隙并產(chǎn)生信號(hào)的可能性。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)提升納米線中硅相對(duì)于鎢的含量，來(lái)限制電子的數(shù)量（這是因?yàn)楣璧淖杂呻娮虞^少，因此其導(dǎo)電性比鎢差）。研究人員發(fā)現(xiàn)，將硅鎢比例調(diào)整為2:3時(shí)效果最好。

在最新一期APL Photonics期刊中，來(lái)自美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、麻省理工學(xué)院、英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)的Varun和同事們?cè)谖恼轮蟹Q，在這種納米線中可觀察到波長(zhǎng)高達(dá)10微米的內(nèi)部量子效率飽和。隨著設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)，該探測(cè)效率將接近100%。

為了制造尺寸足夠大的納米線探測(cè)器，以便從微弱星光中探測(cè)中紅外光子，NIST的研究人員必須證明納米線有能力覆蓋足夠大的區(qū)域，以便適用于望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)設(shè)計(jì)的紅外相機(jī)。這項(xiàng)研究正在進(jìn)行中。

與此同時(shí)，NIST團(tuán)隊(duì)與美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）正在合作一項(xiàng)更直接的應(yīng)用：在極低光照條件下導(dǎo)航軍用車輛。在夜間或地下行駛的坦克或軍用卡車必須在不暴露自己的情況下完成任務(wù)。因此，前大燈、甚至在黑暗中發(fā)射任何可能在周圍物體上反射微弱光束都是不可以的。

而由于超導(dǎo)納米線器件可以探測(cè)車輛行駛路徑中各種物體自然發(fā)出的微量中紅外光子，如巖石、土壤、樹(shù)木、人類、動(dòng)物或其他車輛，因此，它們可以提供導(dǎo)航指引而不向外界暴露自己。

據(jù)NIST研究人員預(yù)計(jì)，他們的器件將在未來(lái)五年內(nèi)應(yīng)用于汽車中。該團(tuán)隊(duì)正在致力于探測(cè)器冷卻系統(tǒng)的小型化，以便將其輕松配備于坦克或軍用卡車。

理論上，如果不可見(jiàn)粒子與普通物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生中紅外光子，這種超導(dǎo)納米線就可以探測(cè)到暗物質(zhì)的存在。但由于這種相互作用非常罕見(jiàn)，研究人員必須建造更大的納米線探測(cè)器，才能在合理的時(shí)間量程觀察到這種相互作用。

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