一種納米級超低噪音微測輻射熱計

2020-11-28 電子發燒友

一種納米級超低噪音微測輻射熱計

發表於 2019-11-14 15:41:09

測輻射熱計是一種通過測量電磁輻射的熱效應來測量入射電磁輻射功率的傳感器，它一直是天文學、消費類設備以及熱敏相機等安防應用中的主力軍。但是，如同所有傳感器一樣，為了驅動新的應用，工程師們一直在尋找使測輻射熱計體積更小、靈敏度更好和響應更快的方法。

據麥姆斯諮詢報導，芬蘭阿爾託大學（Aalto University）的研究人員現已推出一種納米級微測輻射熱計，他們聲稱它比其它低噪聲測輻射熱計快十倍，本底噪聲低十倍，並且尺寸小於10 μm（doi：10.1038 / s42005-019-0225-6）。該研究小組表示，該器件能夠探測的熱能變化低至0.3 ev，而熱時間常數僅為30 μs。此外，通過一定的設計改進，還可以進一步提高響應速度。研究人員認為它可以在最前沿的應用中找到用武之地，例如檢測單個太赫茲光子，以及讀取超導量子計算機中的量子位（qubit）值。

納米級微測輻射熱計的偽彩色圖像，作為對比，左下角的黑條是曼尼羅尼絲菌的大小（約1.3 μm）。

溫度影響

微測輻射熱計利用了某些材料中電阻的溫度依賴性。當電磁輻射與目標材料相互作用時，入射功率會無限地提高材料溫度；這反過來會改變材料的電阻，該電阻變化與輻射功率相關，且可以被讀出。讀出速度取決於微測輻射熱計的熱時間常數，即設備加熱到足以提供可靠讀出所需要的時間。時間常數又取決於傳感器材料的熱容量以及探測器的幾何形狀和設計。

為了創建更好的模型，這支由阿爾託大學Mikko Möttönen領導，與芬蘭VTT技術研究中心以及來自美國國家標準研究院和加利福尼亞理工學院的一些科學家組成的研究團隊，開始著手思考如何使器件小型化的問題。基於三年前Möttönen小組發表的設計，本研究小組在垂直於納米線的一系列超導鋁島上鋪設了一條長10 μm、寬200 nm、厚數十納米的金鈀線。超導體/普通金屬/超導體的第一個結點產生用於檢測輻射的電阻負載，其他結點形成一個電感-電容諧振器，用於讀出信號。

這款器件的顯微照片和示意圖。H、P和G是用於信號採集和讀出的電路；JPA是Josephson參數放大器。

尺寸問題

該論文的主要作者，阿爾託大學的Roope Kokkoniemi解釋說，將微測輻射熱計做得如此之小，是提高其靈敏度的關鍵之一。小尺寸輻射探測器的熱容量低，因此，弱輻射也可以提供更強的信號。」此外，該團隊還為讀出電路增加了納米級Josephson參數放大器（JPA），它可以放大讀出的功率並潛在地提高可分辨信號，從而相比之前的器件提高了微測輻射熱計的解析度。

在關閉JPA的測試中，研究人員發現，它可以測量50 zW/√Hz的噪聲等效功率（NEP），時間常數為0.6 ms，且通過使可分辨的NEP至80 zW/√Hz可以將時間常數降低100 s。啟用JPA後，儀器能夠在30 μs內分辨出60 zW/√Hz的NEP。該團隊表示，這兩個數字至少比以前報導的微測輻射熱計好一個數量級。而且，他們表示這款微測輻射熱計能夠在30 μs內獲得低至0.3 zJ的量熱能變化。

量子應用

隨著微測輻射熱計穩定性和解析度的不斷提高，研究人員看到了該器件的各種潛在應用。例如，它可以在太空飛行器上用於宇宙大爆炸微波背景（CMB）的超靈敏測量；它還可以作為高靈敏太赫茲天線或單光子計數器的基礎，在天文學和其他領域尋求廣泛的新型探測器應用。

Möttönen和他的團隊特別關注的應用領域是新興的量子信息技術。例如，這款新的測輻射熱計可用於監控裝有超導量子計算機的超冷低溫恆溫器中的輻射水平，從而更好地屏蔽那些敏感儀器。

從長遠來看，據Möttönen稱，這種新型微測輻射熱計甚至有可能用作超導量子計算機中量子位的讀取設備。但是，要連續數次讀取超導量子計算機中的量子信息而又不使其退化，微測輻射熱計的響應速度還必須快大約一百倍。因此，微測輻射熱計的響應時間還需要進一步縮短。

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