美国开发超导纳米线探测器精确探测中长波红外光子

科学家近30年来一直在研究使用超导材料“记录”单个光子。然而，这些探测器由直径只有人类头发千分之一的超冷纳米线组成，只能“记录”可见光和波长稍长的近红外(NIR)单光子。

探测中红外波段光子的能力为研究和应用开启了巨大的新机遇，这些研究包括：加强对其他行星上生命化学迹象的搜索，在漆黑环境中对车辆的隐形导航，以及对暗物质的搜索，这种看不见的物质被认为占据了宇宙总质量的80%。

试图了解星球演化和气候变化的地球科学家，以及寻找太阳系外生命迹象的天文学家们，均对探测中红外单光子的能力特别感兴趣。这是因为许多可能表明生物活性的分子都有特殊的“指纹”——这些分子的存在和丰度可以通过其吸收的特定中红外光波来识别。

天文学家在太阳系之外寻找生物活动迹象时，会“记录”遥远恒星透过环绕行星的大气层发出的极其微弱的光。如果大气层中可能存在生命的化学迹象，包括水蒸气、二氧化碳、氧气、臭氧、甲烷和一氧化二氮等;那么大气层就会吸收中红外光子，通过监测环绕地球运行的望远镜所接收的光谱就能发觉。虽然天基望远镜已经使用传统的中红外光子探测器来识别这些吸收光谱，但这些仪器缺乏单光子探测器的精度，这对于光强水平较低时可能至关重要的。

例如，假设恒星发射10,000个光子穿过了行星的大气层(在这个光子数中，约有1%即100个光子的不确定性)。如果大气中含有二氧化碳，那么在特定的中红外吸收光谱中，将显示出大约衰减了500个光子。光子将一路穿过大气层，并到达环绕地球望远镜中的探测器，从而触发电流并被放大，以读出信号输出。

传统的光子探测器存在与电子放大器相关的额外噪声。如果放大器产生的噪声产生了500个电子杂散信号，那就会导致一个大问题：噪声和信号(假设的行星大气光子吸收)一样大。

相比之下，超导纳米线探测器的读出噪声就要低很多。当单个光子被吸收时，超导性在器件中会被暂时破坏，并产生出很易测量的小电流脉冲。其他研究表明，这种读出技术的误读率可能每天不到1次。

这些单光子探测器在很长时间内也非常稳定，这对许多天文学研究来说是额外的优势：对行星大气层的观测通常需要数个完整轨道周期进行探测。

该纳米线直径仅有50到100纳米，由硅化钨薄膜制成。冷却到绝对零度以上几度，这种材料就可以达到超导状态。这意味着纳米线中的电子只需从入射光子中吸收少量的能量即可产生电信号。同时低温也限制了探测器中的随机电子噪声，这种特性在如此低光量的传感应用中非常重要。

探测中红外光子的主要挑战之一：每颗红外光粒子所携带的能量要比可见光光子少得多。为了补偿较低的能量，NIST研究员Varun Verma和同事们降低了纳米线中可吸收光子的电子密度。由于可用电子较少，任何一个电子吸收的光子总能量比例可能会更高，从而增加了当红外光子撞击探测器时，电子有足够的能量穿过超导能隙并产生信号的可能性。

研究团队通过提升纳米线中硅相对于钨的含量，来限制电子的数量(这是因为硅的自由电子较少，因此其导电性比钨差)。研究人员发现，将硅钨比例调整为2:3时效果最好。

在最新一期APL Photonics期刊中，来自美国宇航局喷气推进实验室、麻省理工学院、英国兰卡斯特大学的Varun和同事们在文章中称，在这种纳米线中可观察到波长高达10微米的内部量子效率饱和。随着设计的不断改进，该探测效率将接近100%。

为了制造尺寸足够大的纳米线探测器，以便从微弱星光中探测中红外光子，NIST的研究人员必须证明纳米线有能力覆盖足够大的区域，以便适用于望远镜观测设计的红外相机。这项研究正在进行中。

与此同时，NIST团队与美国国防部高级研究计划局(DARPA)正在合作一项更直接的应用：在极低光照条件下导航军用车辆。在夜间或地下行驶的坦克或军用卡车必须在不暴露自己的情况下完成任务。因此，前大灯、甚至在黑暗中发射任何可能在周围物体上反射微弱光束都是不可以的。

而由于超导纳米线器件可以探测车辆行驶路径中各种物体自然发出的微量中红外光子，如岩石、土壤、树木、人类、动物或其他车辆，因此，它们可以提供导航指引而不向外界暴露自己。

据NIST研究人员预计，他们的器件将在未来五年内应用于汽车中。该团队正在致力于探测器冷却系统的小型化，以便将其轻松配备于坦克或军用卡车。

理论上，如果不可见粒子与普通物质相互作用而产生中红外光子，这种超导纳米线就可以探测到暗物质的存在。但由于这种相互作用非常罕见，研究人员必须建造更大的纳米线探测器，才能在合理的时间量程观察到这种相互作用。