光探测器也超导

翻译　Steed

审校　张开逊

我们的双眼是极为敏锐的光线探测器，能够测定射入眼中的光线的亮度、色彩及空间分布。与消费级数码相机相比，人类视网膜的“像素”更高——包含／大约600万个视锥细胞(conecell)和1亿多个视杆细胞(rodcell)，前者对色彩颇为敏感，后者则止我们能够在黑暗中看见物品。肉眼的灵敏度极高：一个适应了黑暗的视杆细胞，即使只吸收一个光子(电磁波的最小量子单位)，也可以向大脑发出一个信号，只要有6个这样的信号传入大脑，我们就能察觉到一丝光亮。不过对于许多任务来说，肉眼和商业化相机远非理想的工具，因为它们只能检测频率位于狭窄的可见光波段以内的那些光子，分辨色彩的能力也不理想，无法精确地测出每个光子的频率(光的颜色由它的频率决定，红光的频率较低，而蓝光的频率则较高)。

相比之下，科学界和工业上采用的光子探测器能窥探可见光波段以外的电磁世界．比如频率较低(波长较长、能量较低)的红外线和微波，以及频率较高的x射线和伽马射线。不过，它们的能力也极为有限。特别是在可见光和波长更长的电磁波段，科学家缺乏一种探测器，既能“看见”单个光子，又可以精确辨别它的频率，也就是光子的能量。对于科学家来说，探测光子的频率非常重要，因为其中蕴含着有关发出这些光子的物质的大量信息。

现在，光子探测领域正经历着一场变革，基于超导性质的探测器不断涌现，它们有能力进行如此精细的测量，在其他方面也身手不凡。从射电波到可见光再到伽马射线，这些新工具正显著地提高整个电磁波段上的探测灵敏度。用于测量微波偏振(polarization)的改良型设备，不久就将在宇宙微波背景辐射中，测量宇宙大爆炸(big baIlg)的引力波所留下的印迹；有能力计数单个可见光子的探测器，正在改善量子通讯的安全性；在同步加速器(synchrotoron)中，超导x射线探测器正被用于研究物质的化学成分；而研究人员正在开发的伽马射线探测器，能更加敏锐地鉴别核材料，以防止核材料失窃或被恐怖分子偷偷运入国境。

除了探测光子以外，超导设备还被用来检测生物聚合体(biologicalpolymer)，甚至被用来搜寻弱相互作用粒子(weaklyinteractingparticle)，科学家相信这种粒子构成了神秘的暗物质(darkmatter)，它们占到了宇宙总物质的5／6左右。超导探测器才刚刚开始显露它们在科学和商业上的巨大潜力。

脆弱的好处

超导状态极其脆弱，一个光子带来的微弱能量就足以使它濒临崩溃，这恰恰是超导热敏探测器如此灵敏的原因。

超导体拥有一种性质：当电子在其中结合形成所谓的库珀对(Cooper parr)之后，电子就能像超流体(superfluid)一样在其中自由流动。此时就会产生超导现象，也就是说，电流可以毫无阻碍地在超导体中传输。超导状态很容易遭到破坏，这种脆弱性已经在诸如电力传输这样的实用领域阻碍了它们的推广应用，然而令人啧啧称奇的是，恰恰是这种脆弱，让超导体在光子探测器方面大放异彩。

作为一种极其脆弱的量子效应，超导只有在物质被冷却到一个极低的温度以下时才会发生，这个温度被称为临界转变温度(critical transitiontemperature)。对物质加以冷却，会减少其中原子的振动。如果温度高于临界值，原子的振动就会冲散库珀对，使其中的电子分道扬镳，这样超导现象也就不复存在了。

由于对热量极为敏感，许多超导设备必须被冷却到接近绝对零度(OK，相当于—273-15℃)时，才能正常工作。一些超导材料甚至要求温度低于0．01K。利用市场上可以买到的、使用液氦的制冷机，或者采用一种被称为绝热去磁(adiabaticdemagnetization)的过程，这种极端的低温是可以实现的，但这样的冷却却阻碍了超导体在许多领域中的应用。为了开发出可以在更高的温度下实现超导的材料，科学家已经奋斗了多年。

然而，正是这种极其脆弱的特性，使得超导材料成了制作高灵敏探测器的理想材料。超导光子探测器的原理很简单：单个光子的能量足以拆散数以千计的库珀对，使超导状态发生改变。有多种方法能够测出这种改变，从而揭示光子带来的能量。光子的能量与它的频率成正比，因此这样的测量也就揭示了光子的频率，这就为了解这个光子源于何处(是由什么东西发出的)提供了关键线索。

在室温下工作的半导体探测器，例如数码相机中的电荷耦合器件(也就是常说的CCD)，也是基于材料中量子状态的干扰而发挥作用的。以CCD为例，一个处于可见光波段的光子(也就是可见光子)会将一个电子从半导体晶体的能带(energy band)中激发出来。不过这些能带中的电子结合得非常紧密，通常每个光子只能解放一个电子。对于探测光子频率来说，这样的方式显一种是拆对探测器，与前一种不同，它们工作在远低于转变温度的低温环境中，完全处于超导状态。一旦能量在超导体上积聚，这种探测器就能测量被拆散的库珀对数目。

除了以上两大类探测器以外，还有一种设备也必须简单提及：一种超导“混频器”可以像放大器一样，增强低频电磁波(例如微波)的信号。不过这种设备并没有利用超导的脆弱

最早的TES探测器是在20世纪40年代研制成功的，不过多年来一直没能付诸应用。问题在于，超导状态的转变往往发生在不到千分之一度的温度范围内，把探测器始终保持在这个温度范围之内是件非常困难的事情。当我还在美国斯坦福大学跟着布拉斯·卡布雷拉(Bias Cabrera)读研究生时，我们的研究小组在开发实验用_的TES探测器阵列，目的是研然太粗糙了。因此，CCD无法直接测量单个光子的颜色——数码相机之所以能拍出彩色照片，是因为它们采用了一套红、绿、蓝三色过滤系统，每种滤镜只让相应颜色(即处于特定频率范围以内)的光子通过，最后才能合成一张彩照。

相比之下，一个可见光子就能拆散超导体中数以千计的库珀对。由此产生的上千个刺激信号，足以精确地测出光子的能量。这就好比某场选举的投票后民调(exit poll)，对数千人进行采访之后得出的结论，明显比仅对一人采访得出的结论要准确得多。

超导探测器通过检测超导状态的瓦解而发挥作用，它们可以分成两个大类。一种是热敏探测器，在工作时刚好被冷却到临界转变温度，此时它处于一种不完全的超导状态，热刺激随时都能破坏整个超导电性。任何积聚在超导体上的能量都会使温度升高，导致超导体的电阻急剧增加。另特性，因此在本文中我们就不对它们作进一步介绍了。

热敏探测器的工作原理基于这样一个事实：在超导材料从超导状态转变到正常状态(即发生超导相变)的极小温度变化范围之内，超导体的电阻会迅速从零增加到正常水平[参见第79页的插图]。电阻的突然改变使超导体成了一种超级灵敏的温度计。通过这种方式利用超导相变过程的探测器被称为“转变边缘传感器”(transition-edge sensor，简称TES)。当TES吸收一个光子时，该光子的能量就会转化为热，使温度升高，因此超导材料的电阻值就与光子带来的能量成正比。选取不同的光子吸收材料，TES探测器也就拥有不同的用途：既可以起到光谱仪的作用，测量x射线和伽马射线的能量；也可以制成光子计数器，统计近红外及可见光子的数目；还可以做成总辐射功率探测器，检测红外线和毫米波段的辐射强度。mauer)。我们能够地让若干个TES探测器正常工作，但是不同传感器转变温度上的细微差异，使得它们不可能在同一个温度下，像一个探测器阵列那样协同工作。

1993年，我意识到一个简单的小技巧可以解决这个难题——这种技术被称为“电压偏置”(voltagebiasing)，也就是给探测器加上一个恒定的电压。外加的电压会在TES中产生电流，给探测器加热。当探测器的温度升至转变温度时，电阻会增大，电流随之减小，加热就会停止。如此一来，这种自加热过程就形成了一套负反馈系统，总是将探测器的温度保持在它的临界转变值上。在一个由电压偏置传感器组成的阵列中，即使每个传感器的转变温度都略有差别，它们都会自行加热到各自的转变温度，从而能够协同工作。负反馈还提高了探测器的反应速度。电压偏置的引入，已经在全世界掀起了一股TES探测器阵列迅猛发展的热潮。

拆散电子对

单个光子带来的能量不仅会让超导体升温，还会拆散其中数以千计的电子库珀对。拆对探测器巧妙地统计出被拆散的库珀对数目，就能探测单个光子的颜色。

超导拆对探测器与热敏传感器不同，它们无法依靠电阻值的改变来侦测是否有光子被探测器吸收。一个来袭的光子会拆散库珀对，产生所谓的准粒子(quasiparticle)。从许多方面来看，这些准粒子可以被认为是在原本处于超导状态的金属中出现的自由电子。光子产生准粒子的数目正比于它所携带的能量。不过，因为探测器的工作温度远低于它的转变温度，超导体中仍然存在着大量完好无损的库珀对，所以探测器的电阻仍然为零。因此，超导拆对探测器想要发挥作用，就必须有能力将库珀对和准粒子区分开来。

超导体如何检测光子

超导隧道结(superconductingtunnel junction)就是拥有如此高超技术的设备，它由两层超导薄膜构成，中间用一层薄薄的绝缘物质隔开。如果绝缘层足够薄(大约2纳米)，电子就能借助一种所谓的“量子力学隧道效应”(quantum-mechanicaltunneling)，从绝缘层的一侧钻透到另外一侧，就像打通了一条隧道一样。给探测器施加一个微弱的磁场，就能阻止库珀对钻透绝缘层，从而只让准粒子能够成功穿越。现在，再给探测器施加一个电压，一旦其中一层超导薄膜吸收了一个光子，产生出准粒子，探测器中就会有电流产生。由光子产生的电流脉冲正比于它所产生的准粒子数目，因此也就正比于光子的能量和频率。

美国加州理工学院的约纳什·日穆伊津纳什(Jonas Zmuidzinas)和喷气推进实验室(Jet PropulsionLaboratory)的彼得·戴(PeterDay)领导的一个课题小组正在研发另一种设备，来测量超导体中准粒子的数目。这种设备被称为“微波动态电感探测器”(microwave kinetic inductancedetector)，它们的工作原理基于这样一个事实：超导结构可以跟某种频率的微波发生电磁感应，就像音叉可以跟特定频率的声音发生机械共振一样。(不过音叉是发生振动，而超导体则是产生一种振荡电流。)当光子在超导体上产生准粒子时，这种共振就会变得迟钝，而且波的传播速度也会变慢，使共振频率降低。不论是共振频率还是共振的灵敏度，它们的改变都正比于准粒子的数目。初步研究结果表明，这些设备极具潜力，前途不可限量。

对于某些应用(例如分析物质成分)来说，单个超导探测器足以胜任，但对于实际的成像来说，单个探测器就远远不够了：每个探测器只相当于一个像素，因此必须像数码相机里的CCD阵列那样，将探测器组装成大型阵列才行。这样就会遇到一个问题：如何将超冷的探测器阵列与其他在室温下工作的相关电路连接起来。如果只是简单地给每个像素接上一根导线的话，太多的热量就会沿着导线传入探测器，破坏它们的超导状态。一个比较好的解决方案是，在设备的超冷部分使用一些电路，把众多像素上的信号合成到多路传输系统中，这样就可以通过少量导线将数据传送到室温电路之中。

目前最先进的多路超导探测器阵列采用的是TES探测器。正如前面所讨论的，当一个TES探测器吸收一个光子时，流经探测器的电流就会发生改变。不过这个电流极其微弱，为了测出电流的变化，每个像素都要连接一个超导量子干涉器件(superconducting quantum interferencedevice，缩写为SQUID)，这种器件的灵敏度只受量子力学本身的限制(参见《科学美国人》1994年8月号约翰·克拉克所著的《超导量子干涉器件》一文)。SQUID将微弱的电流脉冲转换成一个足够强烈的电压信号，这样就可以利用传统电路加以测量。为数众多的SQUID输出的信号可以通过电压累加的方式结合起来，再通过单根导线将结果传送出来，不过要想区分单个探测器发出的信号，还必须进一步配合使用其他的技术。在时分多路传输(time-divisionmultiplexing)系统中，每次只有一个SQUID被激活，因此一次只传送一个像素的信号；而在频分多路传输(frequency-division multiplexing)系统中，探测器的信号以波动的形式输出，各个信号的波动频率各不相同，因此可以被分离出来。

由微波动态电感探测器(也就是那种类似于音叉、会产生振荡电流的探测器)构成的像素，它们的信号也可以多路传输：将它们分别调整到不同的共振频率上，再将它们并联起来，这样就可以通过一个超冷晶体管和一根连接到室温放大器上的输出导线，将数据读取出来。用隧道结探测器构建多路输出的大型阵列目前看来还困难重重，不过新的微波读出技术也许可以使这种多路探测器阵列成为可能。

广阔的应用前景

与室温下工作的传统探测器相

比，现有超导探测器的灵敏度要高出1 0到100倍这些设备正被广泛应用于各行各业，大大改善了测量的精度。

棱不扩散和国土防卫。目前国际政治中最紧迫的任务之一，就是控制核材料的扩散，防止核武器落入恐怖分子之手。核材料包含着不稳定的同位素，它们会发出x射线和伽马射线。这些光子的特征能量就像指纹一样，可以揭露放射性同位素的踪迹。不过可惜的是，一些民用的同位素也会发出伽马射线，能量与可用于武器的同位素发出的伽马射线极为相似，因此经常会导致鉴定不清，甚至发出错误警报。

这些问题始终困扰着美国政府，他们正在安装数以千计的门式辐射监视器(radiation portal monitor)，用于检测核材料发出的伽马射线，防止它们通过各种交通工具穿越加拿大和墨西哥边境。恐怖分子可能会将武器级的高浓缩铀偷运进国内，制造出一枚简陋的广岛级原子弹(参见《环球科学》2006年3月号亚历山大·格拉泽和弗兰克·N·冯希佩尔所著的《遏止恐怖组织的核武装》一文)。高浓缩铀最明显的特征，就是铀235发出的、能量为187．5 keV(千电子伏特)的伽马射线。不过，这种伽马射线拥有的能量，几乎与猫砂中的黏土和其他矿物中的镭226发出的伽马射线完全相同，后者的能量为186．1 keV，这样的相似性使得这两种物质很难区分。这种所谓的“猫砂问题”成了美国边境核材料警报频频误响的最大原因。

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的迈克尔·雷宾(MichaelRabin)和国家标准及技术研究所(NIST，位于科罗拉多州的博尔德市)的约埃尔·乌洛姆(Joel Ullom)领导的一个研究小组，以及美国劳伦斯利物莫国家实验室的另外一个小组，已经开发出了基于TES探测技术的伽马射线探测器，它们的能量分辨率(相当于该探测器测量能量的精确程度)比传统探测器高出10倍。这些探测器可以从核材料(例如铀和钚同位素的混合物)复杂的伽马射线能谱中分辨出更多的谱线(参见上面的插图)。这些设备是专门为了协查国际核不扩散公约的执行情况而设计的，因为它们可以测定核废料中钚的含量。不过它们同样有能力分辨猫砂中的镭226和高浓缩铀中的铀235。如果一台传统的手持探测器或门式探测器确实检测到了伽马射线信号，一台超导探测设备就可以用来做进一步的检测，明确无误地区分这两种同位素，从而避免许多误报的产生。

微芯片分析。超导光子探测器还可以应用于电子探针微量分析(electron-probe microanalysis)领域，对于半导体制造业来说，这是非常重要的。当，一台扫描电子显微镜分析一块样品时，电子束会使样品发出x射线。通过测量样品发出的不同x射线的能量，我们就能确定样品上被电子束击中的、仅有纳米见方的区域内的化学成分。随着电子束扫遍整块样品，最终的图像就能揭示不同的化学成分出现在什么地方，描绘出使微芯片发挥功能的电路结构。

半导体制造业目前采用半导体x射线探测器来分析微芯片上的结构和缺陷。不过随着微芯片越做越小，新一代微量分析设备必须具备更高的灵敏度。在美国国家标准及技术研究所，我的研究小组已经解决了这个问题：我们开发出一种基于TES探测器的微量分析系统，其能量分辨率比目前工业上采用的半导体探测器高出50倍，足以分辨许多重要的x射线谱峰。这种微量分析系统目前正在进入市场。

亚毫米波天文学。对于超导探测器来说，天文学是一个可以大展拳脚的领域。天文学家经常推动新探测器技术的发展，因为他们需要测量来自遥远天体的极为微弱的信号。

在美国国家标准及技术研究所，我的研究小组正与爱丁堡的英国天文技术中心、加利福尼亚州戈拉塔市的雷神视觉系统公司(Raytheon VisionSystems)以及英国和加拿大的多所大学展开合作，共同开发一台被称为SCUBA-2的超导照相机。这台新相机将被安装在夏威夷大岛莫纳克亚山顶的詹姆士·克拉克·麦克斯韦望远镜(JamesClerkMaxwellTelescope)上，以取代目前使用的、由英国天文技术中心研制的半导体探测器阵列——亚毫米波通用辐射热测定器阵列(Submillimeter Common-User BolometerArray，缩写为SCUBA，是目前世界上最灵敏的亚毫米波相机)。亚毫米波的波长比微波更短，但比可见光波长更长，通过检测这些亚毫米波，SCUBA可以拍摄行星、恒星及星系形成区域的图像。

直到不久以前，亚毫米波段还是天文学家难以触及的电磁波段，因为这一波段的光子携带的能量太少，无法在半导体中激发出电子，而它们的频率又太高，无法通过无线电接收机之类的设备加以有效放大。但是，亚毫米波段却是非常值得探索的，因为自宇宙从大爆炸中诞生以来，所有天体发出的光子现在有98％都处在这一波段。亚毫米波拥有许多特性，例如它可以穿透其他波段的光无法穿过的分子云，使天文学家得以观测分子云内部的情景。SCUBA拥有128个经过冷却的半导体像素，通过检测这些像素的升温，SCUBA就能探测亚毫米波，但是与SCUBA-2采用的超导技术相比，这个过程比较缓慢，而且灵敏度也要逊色许多。

完成后的SCUBA-2将由超过1万个TES探测器像素构构成，涌讨超导多路传输系统向外输出数据，将使天体的拍摄速度提高1,000倍。由1,280个像素组成的SCUBA-2原型子阵已经制作完成(参见第80页的插图)，整个照相机将在2007年安装就位并投入运转。许多其他的亚毫米波和毫米波超导探测器系统也正处于开发阶段，它们将被安装在不同的天文台和卫星上。

宇宙学。近年来，我们对于宇宙的理解取得了一些重大突破，这些进展都来源于对宇宙微波背景辐射(cosmic microwave backgroundradiation)的测量结果。过去130亿年以来，大多数微波背景光子都在宇宙中自由穿梭，几乎没有受到干扰，因此这些光子记录了宇宙大爆炸之后40万年时的情景。早期宇宙中充斥着等离子体，声波在其中传播，就会在微波背景辐射中留下特殊的图案，让今天的天文学家有机会看见(参见《科学美国人》2004年2月号韦恩·胡和马丁·怀特所著的《宇宙交响曲》一文)。对这些图案所作的测量和其他一些宇宙学观测已经表明，今天的宇宙只有5％是由我们熟悉的普通物质和普通能量构成的；大约22％是暗物质，剩下的73％则是我们称之为暗能量(dark energy)的神秘力场。

除了声波留下的这些图案以外，宇宙暴涨时期(inflation，即宇宙诞生之初以指数形式加速膨胀的短暂时期)产生的引力波，也可能会使宇宙微波背景辐射发生偏振，从而留下微妙的图案——这就是所谓的宇宙引力波背景(cosmic gravity-wavebackground)。(偏振是指电磁波中的电场以某种方式排列起来，而不是朝着各个方向随机振荡。)宇宙微波背景辐射中的偏振是在这些辐射从原始等离子体中散射而出时产生的，就像可见光从某个表面反射之后就会发生偏振一样。

很快，天文学家就将采用对偏振极为敏感的超导探测器来搜寻宇宙引力波背景。这些探测器最初将配备在地面和高空气球携带的专用望远镜上。稍后，美国国家航空航天局(NASA)计划发射一颗名为“暴涨探测器”(the Inflation Probe)的卫星，对宇宙微波背景的偏振进行精确的测量。成功地测出这种由引力波产生的图案，将为科学家提供惊人的线索，揭示出宇宙大爆炸之后最初1万亿亿亿亿分之一秒内发挥作用的物理规律——在这一刻，宇宙中的能量密度高得惊人，除引力以外的所有作用力都被合而为一。自阿尔伯特·爱因斯坦(Albetr Einstein)以来，全世界的物理学家都梦想对这种“大统一”(grand unification)展开直接的研究，但地球上最大的粒子加速器所产生的能量仍然相差了万亿倍之多。超导探测器将帮助科学家利用宇宙本身这个巨大的实验室，探测地球实验室中永远无法企及的高能环境。

展望未来

尽管在过去十年间，超导探测器取得了巨大的进展，但超导探测器的全部潜能还没有充分发挥。展望未来，利用全新的制造工艺，再配合微波频率上的信号多路传输技术(该技术可以让更多像素上的信号通过单根导线读取出来)，我们将开发出大尺寸超导探测器阵列，研制出上万像素的微波照相机和百万像素的x射线照相机。工程师还在开发更小、更便宜的制冷系统，用来冷却超导探测器。这些大尺寸超导探测器阵列将在更广泛的领域内发挥影响。与人类的视网膜相比，这些阵列的像素仍然稍逊一筹，但是它们却将人类的视线带入了一个激动人心的全新发现领域。

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