探測中紅外波段光子的能力為研究和應用開啟了巨大的新機遇

科學家近30年來一直在研究使用超導材料“記錄”單個光子。然而，這些探測器由直徑只有人類頭發千分之一的超冷納米線組成，只能“記錄”可見光和波長稍長的近紅外（NIR）單光子。

據麥姆斯咨詢報道，美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的研究人員現已證明，通過改變這些納米線的組成，改進的探測器可以有效“記錄”波長達10微米的單個光子，比以前捕捉的光子波長長5倍。這些不可見光波屬于電磁波譜的中紅外部分（見上圖），當物體輻射熱量時就會發射出這類光波。人體的大部分熱量輻射光波在10微米左右。

探測中紅外波段光子的能力為研究和應用開啟了巨大的新機遇，這些研究包括：加強對其他行星上生命化學跡象的搜索，在漆黑環境中對車輛的隱形導航，以及對暗物質的搜索，這種看不見的物質被認為占據了宇宙總質量的80%。

試圖了解星球演化和氣候變化的地球科學家，以及尋找太陽系外生命跡象的天文學家們，均對探測中紅外單光子的能力特別感興趣。這是因為許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其吸收的特定中紅外光波來識別。

天文學家在太陽系之外尋找生物活動跡象時，會“記錄”遙遠恒星透過環繞行星的大氣層發出的極其微弱的光。如果大氣層中可能存在生命的化學跡象，包括水蒸氣、二氧化碳、氧氣、臭氧、甲烷和一氧化二氮等；那么大氣層就會吸收中紅外光子，通過監測環繞地球運行的望遠鏡所接收的光譜就能發覺。雖然天基望遠鏡已經使用傳統的中紅外光子探測器來識別這些吸收光譜，但這些儀器缺乏單光子探測器的精度，這對于光強水平較低時可能至關重要的。

例如，假設恒星發射10,000個光子穿過了行星的大氣層（在這個光子數中，約有1%即100個光子的不確定性）。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個光子。光子將一路穿過大氣層，并到達環繞地球望遠鏡中的探測器，從而觸發電流并被放大，以讀出信號輸出。

傳統的光子探測器存在與電子放大器相關的額外噪聲。如果放大器產生的噪聲產生了500個電子雜散信號，那就會導致一個大問題：噪聲和信號（假設的行星大氣光子吸收）一樣大。

相比之下，超導納米線探測器的讀出噪聲就要低很多。當單個光子被吸收時，超導性在器件中會被暫時破壞，并產生出很易測量的小電流脈沖。其他研究表明，這種讀出技術的誤讀率可能每天不到1次。

這些單光子探測器在很長時間內也非常穩定，這對許多天文學研究來說是額外的優勢：對行星大氣層的觀測通常需要數個完整軌道周期進行探測。

該納米線直徑僅有50到100納米，由硅化鎢薄膜制成。冷卻到絕對零度以上幾度，這種材料就可以達到超導狀態。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生電信號。同時低溫也限制了探測器中的隨機電子噪聲，這種特性在如此低光量的傳感應用中非常重要。

探測中紅外光子的主要挑戰之一：每顆紅外光粒子所攜帶的能量要比可見光光子少得多。為了補償較低的能量，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，任何一個電子吸收的光子總能量比例可能會更高，從而增加了當紅外光子撞擊探測器時，電子有足夠的能量穿過超導能隙并產生信號的可能性。

研究團隊通過提升納米線中硅相對于鎢的含量，來限制電子的數量（這是因為硅的自由電子較少，因此其導電性比鎢差）。研究人員發現，將硅鎢比例調整為2:3時效果最好。

在最新一期APL Photonics期刊中，來自美國宇航局噴氣推進實驗室、麻省理工學院、英國蘭卡斯特大學的Varun和同事們在文章中稱，在這種納米線中可觀察到波長高達10微米的內部量子效率飽和。隨著設計的不斷改進，該探測效率將接近100%。

為了制造尺寸足夠大的納米線探測器，以便從微弱星光中探測中紅外光子，NIST的研究人員必須證明納米線有能力覆蓋足夠大的區域，以便適用于望遠鏡觀測設計的紅外相機。這項研究正在進行中。

與此同時，NIST團隊與美國國防部高級研究計劃局（DARPA）正在合作一項更直接的應用：在極低光照條件下導航軍用車輛。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。因此，前大燈、甚至在黑暗中發射任何可能在周圍物體上反射微弱光束都是不可以的。

而由于超導納米線器件可以探測車輛行駛路徑中各種物體自然發出的微量中紅外光子，如巖石、土壤、樹木、人類、動物或其他車輛，因此，它們可以提供導航指引而不向外界暴露自己。

據NIST研究人員預計，他們的器件將在未來五年內應用于汽車中。該團隊正在致力于探測器冷卻系統的小型化，以便將其輕松配備于坦克或軍用卡車。

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

責任編輯：lq