「像」由「芯」生的太赫茲傳奇 | 賽先生天文

2020-12-27 賽先生


電磁波譜圖，圖片來源：新原理研究所


導言：「天問」取火、「嫦娥」奔月，2020這一年，人類與蒼穹之間的互動要比過往更加頻繁。而在更早的2019年4月，人類歷史上第一張黑洞照片在長久的期盼中橫空出世！拍下那張照片的，是散布在全球不同區域的毫米波/亞毫米波望遠鏡連接而成的虛擬望遠鏡EHT（事件視界望遠鏡）。那麼，在EHT的背後，究竟是什麼在拍攝神秘的「宇宙之瞳」呢？還是今年10月，人類首次在月球光照區探測到分子水的存在。實現這一壯舉的是一架飛機——SOFIA（平流層紅外天文臺）。值得一提的是，同樣是這架飛機，一年多前，曾在一片行星狀星雲中首次探測到號稱「宇宙最早化學鍵」和「最強酸」的HeH+（氦合氫離子）。那麼，在SOFIA上，又是什麼找到了浩瀚宇宙中的「檸檬精」，飛著飛著就「酸」了？ 事實上，無論EHT還是SOFIA，都與太赫茲、超導、晶片……這些或高冷、或流行的名詞有關。這些不同的概念，也因這一連串「星辰大海」的天文學問題，走到了一起，牽引出一段「像」由「芯」生的宇宙傳奇。


SOFIA和它首次探測到的HeH+，圖片來源：NASA


撰文 | 李婧（紫金山天文臺）

責編 | 韓越揚 呂浩然


太赫茲：電磁波的迷之「間隙」， 天文學的未解「窗口」


在電磁波譜中，太赫茲波段包含部分毫米波、全部亞毫米波和部分遠紅外，其波長從3毫米到30微米，頻率覆蓋0.1THz至10THz。太赫茲位於微波和紅外之間，其研究手段也處於電子學向光子學過渡的區域，因此展現出某些重要特性：


  • 1）指紋性：許多物質的晶格振動和分子轉動等引起的能級躍遷都對應在太赫茲譜段，而不同物質的光譜位置、強度、形狀均有差異，具有指紋般的唯一性，常被稱作為太赫茲「指紋譜」。


  • 2）穿透性：太赫茲輻射對不同物質的透射性有很大區別，因此太赫茲成像可以有效區分不同的材質。尤其是對可見光不透明的物體進行太赫茲成像，可探知材料內部或被遮擋的區域。


  • 3）安全性：太赫茲波只有毫電子伏特（meV）量級的光子能量，並且水對它具有強烈的吸收，因此不會對物體尤其是生物組織產生有害的電離反應。


大爆炸（The Big Bang）留下的宇宙微波背景（CMB）輻射以及之後的宇宙歷史中形成的所有恆星和星系發出的光子能量中有約一半落在太赫茲/遠紅外波段。太赫茲天文學的研究對於理解宇宙狀態和演化有著非常重要的意義：太赫茲頻段很適合觀測宇宙早期遙遠的天體，首先，它們的輻射因宇宙膨脹和星際塵埃吸收後再發射都落在太赫茲頻段；其次，太赫茲頻段的星際介質遮擋明顯弱於可見光/近紅外波段，所以它也是研究星際塵埃和氣體分子雲內部星際介質和恆星物理狀態的獨特頻段；其三，太赫茲頻段包含豐富的分子譜線和精細結構原子譜線「森林」，是研究星際分子氣體物理和化學性質的理想診斷工具。


然而，太赫茲頻段仍然是一個尚未被全面研究和理解的電磁頻率「窗口」。制約其發展的因素主要來自於兩方面：首先，地球大氣中水的強烈吸收是天體太赫茲信號地面探測的「攔路虎」，迫使天文學家不停尋找即高海拔又乾燥的「不毛之地」；其次，太赫茲高靈敏度探測技術的嚴重匱乏更一度讓天文學家缺少「金鋼鑽」。直到基於低溫超導器件的高靈敏度探測技術出現，才推動了太赫茲天文學的快速發展。


低溫超導探測：冷酷之「芯」，靈敏之「芯」


超導現象最早由荷蘭科學家H. K. Onnes於1911年發現。不過，直到1957年，美國物理學家John Bardeen、Leon Cooper、John Schrieffer建立了低溫超導理論（即BCS理論），才完美解釋了超導電性的物理本質。後來，Ivar Giaever實驗發現了超導體中的「隧穿效應」，Brian Josephson則預言了「約瑟夫森效應」，基於隧穿效應的低溫超導探測技術研究的大門也從此開啟。


上世紀七十年代末，美國物理學家John Tucker建立了基於光子輔助的準粒子隧穿效應混頻理論，之後隨著貝爾實驗室發明了建立於光刻工藝的鈮基超導隧道結製備技術，使超導探測器晶片的製備能力得到顯著提升。從此，太赫茲超導探測技術的發展與應用也隨之進入了飛速發展時期，並推動了太赫茲天文學的快速進步，引領了一系列重大天文科學的新突破與新發現。


ALMA及其科學發現：原行星盤精細結構，圖片來源：ALMA


與半導體探測器相比，超導探測器具有兩個顯著的特點：冷和靈！


由於低溫超導的材料特性，超導探測器通常需要在接近絕對零度的極低溫度下工作。根據探測器種類的不同，工作溫區會在幾十mK到幾K的範圍內有所不同（K：開爾文，溫度單位）。而正因為超導探測的低能隙、低溫區等特點，使它具有遠高於半導體的探測靈敏度。


除了高靈敏度的優點以外，太赫茲超導探測技術還具有平面工藝製備、本振（泵浦）信號功率需求低、高動態範圍和快響應時間等諸多優點，使得該技術正在向著更高頻率、更高靈敏度和更大規模陣列等方向快速發展。


左：太赫茲超導探測器晶片；右：超導探測器的低溫工作環境。圖片來源：紫金山天文臺


成像還是譜線？小孩子才做選擇題，天文學家都要！


根據科學目標的不同，天文學家對觀測技術的需求也不盡相同：有時會需要大天區的多色成像，有時也需要高頻率解析度的譜線觀測。太赫茲超導探測技術大致可分為兩大類：相干探測和非相干探測。


太赫茲相干探測器可以同時探測信號的幅度和相位信息，主要應用於高頻率解析度的分子和原子譜線觀測，以及具有高空間解析度的天線幹涉陣列。目前，主流的太赫茲超導相干探測器有：超導隧道結混頻器SIS和超導熱電子混頻器HEB兩種。前者多應用於1THz以下頻段，後者則應用於1THz以上頻段，相干探測的靈敏度已經可以突破5倍量子噪聲。


超導隧道結混頻器SIS晶片實拍圖，每個結區（圓形區域）的尺寸是直徑1微米，圖片來源：紫金山天文臺


超導熱電子混頻器HEB晶片實拍圖，中心微橋尺寸2微米×0.2微米，圖片來源：紫金山天文臺


太赫茲非相干探測器則只能探測信號的幅度信息，而不獲取其相位信息，主要應用於連續譜成像觀測和寬頻帶中低解析度譜線觀測。目前，主流的太赫茲超導非相干探測器有：超導動態電感探測器MKIDs和超導相變邊緣探測器TES，兩種非相干探測技術均已實現背景極限的探測靈敏度。


超導動態電感探測器MKIDs晶片，3英吋襯底上的1024像元陣列晶片，圖片來源：紫金山天文臺


超導相變邊緣探測器TES晶片，圖片來源：紫金山天文臺


上述四種太赫茲超導探測器技術中，SIS混頻器和HEB混頻器相對已經發展成熟並廣泛應用。本文導言中所提到的「黑洞成像」便採用了超導SIS混頻器技術，而SOFIA的「HeH+發現」則是採用的超導HEB混頻器技術。相較而言，另外兩種探測器MKIDs和TES則更加新型。總體來看，基於低溫超導器件的太赫茲探測技術已經或正在快速發展著，但仍在以下三個方面具有突破空間：更高的探測靈敏度、更大規模的陣列、更高的探測頻率上限。


因此，未來太赫茲/亞毫米波望遠鏡探測終端的發展趨勢必將包括：

  • 1）靈敏度達背景極限的超大規模連續譜成像陣列，用於進行遙遠宇宙的亞毫米波/太赫茲成像；
  • 2）帶寬覆蓋可達百GHz量級的寬頻段三維成像譜儀，且同時具備大視場覆蓋能力，用於精確測量天體在宇宙中的位置（宇宙學紅移及距離）；
  • 3）靈敏度接近量子極限、突破百像元的多波束接收機，用於高頻譜解析度譜線的天體成像探測。


敢問路在何方



太赫茲以及高靈敏度超導探測，不只在天文學具有重要的意義，在其他學科亦具備廣泛的研究和應用價值；不只在嚴苛的微弱天文信號探測中有用武之地，在其他領域中亦具有重要且廣闊的應用舞臺。比如：信息科學、大氣科學、生物醫學、量子計算等等。


我們期待，前沿科技的快速發展，能夠成就未來我國的亞毫米波/太赫茲望遠鏡，實現天文科學的新發現，助我們理解宇宙的起源和演化。


我們更期待，更多的先端科技，能夠如詩歌般從遠方向我們走來，走進我們的衣食住行、生命健康裡來。


單口徑亞毫米波望遠鏡示意圖，圖片來源：紫金山天文臺


作者簡介：李婧，中國科學院紫金山天文臺研究員、博導，2019年獲得國家基金委傑青科學基金資助，2020年騰訊科學探索獎得主。主要研究領域：太赫茲探測，天文技術與方法。



名詞注釋

EHT：Event Horizon Telescope

SOFIA：Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy

THz：Tera-Hertz

ALMA：Atacama Large Millimeter/submillimeter Array

SIS：Superconductor-Insulator-Superconductor

HEB：Hot Electron Bolometer

MKIDs：Microwave Kinetic Inductance Detectors

TES：Transition Edge Sensor



參考文獻和連結：

1.李婧，張文，繆巍，史生才，中國光學，第10卷，第1期，2017年2月.

2.史生才，李婧，科學通報，第64卷，第20期，pp.2067-2069，2019。

3.J. Tucker and M. Feldman, Rev. Mod. Phys., 57, 1055, 1985.

4.https://mp.weixin.qq.com/s/CzoDJprHvaO3aPhN7ukCCA

5.https://mp.weixin.qq.com/s/uLF4iOU4DXKvgngS7PfO5Q

6.https://mp.weixin.qq.com/s/UUPaQP4C_MWWLxd_NjzhKA

註：封面圖來源：紫金山天文臺 & Alain Riazuelo/IAP/UPMC/CNRS，背景為探測器陣列晶片，陣列中間做出了黑洞的示意效果。

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