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“像”由“芯”生的太赫兹传奇

太赫兹 太赫兹 红外线 辐射成像
发布:2021-01-11 10:51:32     来源:中国物理学会期刊网

  
电磁波谱图,图片来源:新原理研究所

导言:“天问”取火、“嫦娥”奔月,2020这一年,人类与苍穹之间的互动要比过往更加频繁。而在更早的2019年4月,人类历史上第一张黑洞照片在长久的期盼中横空出世!拍下那张照片的,是散布在全球不同区域的毫米波/亚毫米波望远镜连接而成的虚拟望远镜EHT(事件视界望远镜)。那么,在EHT的背后,究竟是什么在拍摄神秘的“宇宙之瞳”呢?

还是今年10月,人类首次在月球光照区探测到分子水的存在。实现这一壮举的是一架飞机——SOFIA(平流层红外天文台)。值得一提的是,同样是这架飞机,一年多前,曾在一片行星状星云中首次探测到号称“宇宙最早化学键”和“最强酸”的HeH+(氦合氢离子)。那么,在SOFIA上,又是什么找到了浩瀚宇宙中的“柠檬精”,飞着飞着就“酸”了?

事实上,无论EHT还是SOFIA,都与太赫兹、超导、芯片……这些或高冷、或流行的名词有关。这些不同的概念,也因这一连串“星辰大海”的天文学问题,走到了一起,牵引出一段“像”由“芯”生的宇宙传奇。


 SOFIA和它首次探测到的HeH+,图片来源:NASA 

太赫兹:电磁波的迷之“间隙”, 天文学的未解“窗口”

在电磁波谱中,太赫兹波段包含部分毫米波、全部亚毫米波和部分远红外,其波长从3毫米到30微米,频率覆盖0.1THz至10THz(T=1012)。太赫兹位于微波和红外之间,其研究手段也处于电子学向光子学过渡的区域,因此展现出某些重要特性:

1)指纹性:许多物质的晶格振动和分子转动等引起的能级跃迁都对应在太赫兹谱段,而不同物质的光谱位置、强度、形状均有差异,具有指纹般的唯一性,常被称作为太赫兹“指纹谱”。

2)穿透性:太赫兹辐射对不同物质的透射性有很大区别,因此太赫兹成像可以有效区分不同的材质。尤其是对可见光不透明的物体进行太赫兹成像,可探知材料内部或被遮挡的区域。

3)安全性:太赫兹波只有毫电子伏特(meV)量级的光子能量,并且水对它具有强烈的吸收,因此不会对物体尤其是生物组织产生有害的电离反应。

大爆炸(The Big Bang)留下的宇宙微波背景(CMB)辐射以及之后的宇宙历史中形成的所有恒星和星系发出的光子能量中有约一半落在太赫兹/远红外波段。太赫兹天文学的研究对于理解宇宙状态和演化有着非常重要的意义:太赫兹频段很适合观测宇宙早期遥远的天体,首先,它们的辐射因宇宙膨胀和星际尘埃吸收后再发射都落在太赫兹频段;其次,太赫兹频段的星际介质遮挡明显弱于可见光/近红外波段,所以它也是研究星际尘埃和气体分子云内部星际介质和恒星物理状态的独特频段;其三,太赫兹频段包含丰富的分子谱线和精细结构原子谱线“森林”,是研究星际分子气体物理和化学性质的理想诊断工具。

然而,太赫兹频段仍然是一个尚未被全面研究和理解的电磁频率“窗口”。制约其发展的因素主要来自于两方面:首先,地球大气中水的强烈吸收是天体太赫兹信号地面探测的“拦路虎”,迫使天文学家不停寻找即高海拔又干燥的“不毛之地”;其次,太赫兹高灵敏度探测技术的严重匮乏更一度让天文学家缺少“金钢钻”。直到基于低温超导器件的高灵敏度探测技术出现,才推动了太赫兹天文学的快速发展。

低温超导探测:冷酷之“芯”,灵敏之“芯”

超导现象最早由荷兰科学家H. K. Onnes于1911年发现。不过,直到1957年,美国物理学家John Bardeen、Leon Cooper、John Schrieffer建立了低温超导理论(即BCS理论),才完美解释了超导电性的物理本质。后来,Ivar Giaever实验发现了超导体中的“隧穿效应”,Brian Josephson则预言了“约瑟夫森效应”,基于隧穿效应的低温超导探测技术研究的大门也从此开启。

上世纪七十年代末,美国物理学家John Tucker建立了基于光子辅助的准粒子隧穿效应混频理论,之后随着贝尔实验室发明了建立于光刻工艺的铌基超导隧道结制备技术,使超导探测器芯片的制备能力得到显著提升。从此,太赫兹超导探测技术的发展与应用也随之进入了飞速发展时期,并推动了太赫兹天文学的快速进步,引领了一系列重大天文科学的新突破与新发现。


 ALMA及其科学发现:原行星盘精细结构,图片来源:ALMA

与半导体探测器相比,超导探测器具有两个显著的特点:冷和灵!

由于低温超导的材料特性,超导探测器通常需要在接近绝对零度的极低温度下工作。根据探测器种类的不同,工作温区会在几十mK到几K的范围内有所不同(K:开尔文,温度单位)。而正因为超导探测的低能隙、低温区等特点,使它具有远高于半导体的探测灵敏度。

除了高灵敏度的优点以外,太赫兹超导探测技术还具有平面工艺制备、本振(泵浦)信号功率需求低、高动态范围和快响应时间等诸多优点,使得该技术正在向着更高频率、更高灵敏度和更大规模阵列等方向快速发展。


 左:太赫兹超导探测器芯片;右:超导探测器的低温工作环境。图片来源:紫金山天文台
 
成像还是谱线?小孩子才做选择题,天文学家都要!

根据科学目标的不同,天文学家对观测技术的需求也不尽相同:有时会需要大天区的多色成像,有时也需要高频率分辨率的谱线观测。太赫兹超导探测技术大致可分为两大类:相干探测和非相干探测。

太赫兹相干探测器可以同时探测信号的幅度和相位信息,主要应用于高频率分辨率的分子和原子谱线观测,以及具有高空间分辨率的天线干涉阵列。目前,主流的太赫兹超导相干探测器有:超导隧道结混频器SIS和超导热电子混频器HEB两种。前者多应用于1THz以下频段,后者则应用于1THz以上频段,相干探测的灵敏度已经可以突破5倍量子噪声。

 
超导隧道结混频器SIS芯片实拍图,每个结区(圆形区域)的尺寸是直径1微米,图片来源:紫金山天文台
 
超导热电子混频器HEB芯片实拍图,中心微桥尺寸2微米×0.2微米,图片来源:紫金山天文台

太赫兹非相干探测器则只能探测信号的幅度信息,而不获取其相位信息,主要应用于连续谱成像观测和宽频带中低分辨率谱线观测。目前,主流的太赫兹超导非相干探测器有:超导动态电感探测器MKIDs和超导相变边缘探测器TES,两种非相干探测技术均已实现背景极限的探测灵敏度。

 

超导动态电感探测器MKIDs芯片,3英吋衬底上的1024像元阵列芯片,图片来源:紫金山天文台

 
超导相变边缘探测器TES芯片,图片来源:紫金山天文台

上述四种太赫兹超导探测器技术中,SIS混频器和HEB混频器相对已经发展成熟并广泛应用。本文导言中所提到的“黑洞成像”便采用了超导SIS混频器技术,而SOFIA的“HeH+发现”则是采用的超导HEB混频器技术。相较而言,另外两种探测器MKIDs和TES则更加新型。总体来看,基于低温超导器件的太赫兹探测技术已经或正在快速发展着,但仍在以下三个方面具有突破空间:更高的探测灵敏度、更大规模的阵列、更高的探测频率上限。

因此,未来太赫兹/亚毫米波望远镜探测终端的发展趋势必将包括:1)灵敏度达背景极限的超大规模连续谱成像阵列,用于进行遥远宇宙的亚毫米波/太赫兹成像;2)带宽覆盖可达百GHz(G=109)量级的宽频段三维成像谱仪,且同时具备大视场覆盖能力,用于精确测量天体在宇宙中的位置(宇宙学红移及距离);3)灵敏度接近量子极限、突破百像元的多波束接收机,用于高频谱分辨率谱线的天体成像探测。

 
敢问路在何方

太赫兹以及高灵敏度超导探测,不只在天文学具有重要的意义,在其他学科亦具备广泛的研究和应用价值;不只在严苛的微弱天文信号探测中有用武之地,在其他领域中亦具有重要且广阔的应用舞台。比如:信息科学、大气科学、生物医学、量子计算等等。

我们期待,前沿科技的快速发展,能够成就未来我国的亚毫米波/太赫兹望远镜,实现天文科学的新发现,助我们理解宇宙的起源和演化。

我们更期待,更多的先端科技,能够如诗歌般从远方向我们走来,走进我们的衣食住行、生命健康里来。


 单口径亚毫米波望远镜示意图,图片来源:紫金山天文台

作者简介:李婧,中国科学院紫金山天文台研究员、博导,2019年获得国家基金委杰青科学基金资助,2020年腾讯科学探索奖得主。主要研究领域:太赫兹探测,天文技术与方法。

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