揭开宇宙的面纱： 超导探测器

1908年荷兰物理学家H. K. Onnes成功地液化了最难液化的元素氦(图1)，开启了超低温物理世界的新篇章。在夜以继日的研究中， Onnes和团队持续地尝试各种物质在超低温状态下的各类特殊性质。到了1911年，他们将研究重点转向常温下液态的金属汞，在把汞冷却到4开尔文（零下269摄氏度）后并观测到其电阻归零这一震惊世界的现象。这一发现标志着超导时代的来临。之后科学家们开启了研究的盛典。1957年Bardeen，Cooper和Schrieffer三位科学家建立了超导微观量子BCS理论，1961年，Deaver和Fairbank发现了磁通量子特性，1962年年仅22岁的Josephson通过理论计算预言了超导隧穿效应，一年后在贝尔实验室被验证并被命名称为约瑟夫森效应。依赖于上述超导技术进展，人们逐渐开发出了核磁共振，磁悬浮列车，超导电力传输，超导量子计算等技术不断改变着我们的生活。近期一些室温超导工作的进展也得到了人们的极大关注，在能源传输、强磁场、电子学等领域孕育着巨大的潜力。

伴随着超导电子技术的发展，超高灵敏超导探测器趋于成熟，并一步一步地改变着人类探索、理解宇宙的方式。如超导隧穿结混频器被用在XMM-牛顿空间望远镜研究超新星、黑洞和超致密中子星；超导热电子混频器被应用在阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列望远镜来探究宇宙的伊始、星际介质、行星恒星的形成。

1938年，美国物理学家Andrews利用超导体在转变温度附近剧烈的电阻变化现象制造了超导转变边沿探测器，并实现了红外辐射和阿尔法粒子的探测。20世纪40年代只有场效应管可以测量极微弱电压，因此超导转变边沿探测器只能通过电流偏置的方式工作，导致其只能正反馈工作在一个不稳定的状态，无法实现大规模应用。随着约瑟夫森效应的发现和超导量子干涉仪的发展，1996年，美国科学家Irwin等人将这个可以精准测量电流变化的新型放大器使用在超导转变边沿探测器上，成功解决了上述问题，实现创纪录的3E-18W/√Hz超低噪声探测器，将人们对宇宙的探测带入超弱信号探测的新时代。2010年开始，我国阿里原初引力波望远镜（图3，4），南极望远镜，美国西蒙斯天文台等都开始使用超导转变边沿探测器精准探测宇宙微波背景辐射来寻找宇宙大爆炸产生的原初引力波以探索宇宙的起源与演化。

2003年，美国科学家Zmuidzinas等人利用超导薄膜吸收光子后产生准粒子改变其表面阻抗的效应制造出了与超导转变边沿探测器同噪声级别的微波动态电感探测器，因其独特的大规模阵列加工及读出前景，引起了天文探测领域学者们极大的关注。2018年，紫金山天文台史生才院士等人研发出了千像素高性能太赫兹微波动态电感探测器，将用于南极DATE-5望远镜。同年，NIST为LMT望远镜开发了4000像素动态电感探测器，如图5所示。

国家天文台联合之江实验室等单位积极开展了微波动态电感热辐射计的研制尝试(图6)。与传统微波动态电感探测器运用光子激发准粒子的机制不同，动态电感热辐射计利用金属天线活吸收体将光子能量转换成声子能量进而改变超导体的表面阻抗实现光子能量的读出，因此它的设计灵活度更高可以匹配更大波长范围的探测需求（如红外、可见光、X射线等）。前期测试结果展现出了较高的探测器良率，整体噪声性能符合预期但仍有上升空间。近几十年超导探测器技术的进步大幅提高人类观测宇宙中的遥远天体、快速射电暴、暗物质和暗能量等的能力，将为人类理解宇宙的起源、演化和结构提供关键线索，为人类进一步揭开宇宙的面纱、探索宇宙的奥秘打下坚实的基础。

作者简介

张晓航，长期从事超导探测器研制与超导隧穿结制冷研究，在美国国家标准局NIST工作期间解决了超高灵敏探测器空间制冷问题，并提出了空间超导探测器与超导隧穿结制冷芯片集成新方案。如图7所示，为SPIDER项目设计并制造超导隧穿结制冷的超导探测器阵列，提升噪声性能达两倍之多，器件含20多层工艺流程，为NIST最复杂器件之一。并两次荣获IEEE CSC Fellowship奖。现为之江实验室超导探测器研究组PI，负责研发新型天文应用大阵列高灵敏度超导探测器。

轮值主编：李菂

责编：袁凤芳

监制：陆烨、田斌

本文转载自《中国科学院国家天文台》微信公众号

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