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(qū)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）。那么，在EHT的背后，究竟是什么在拍攝神秘的“宇宙之瞳”呢？ 還是今年10月，人類首次在月球光照區(qū)探測到分子水的存在。實現(xiàn)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，曾在一片行星狀星云中首次探測到號稱“宇宙最早化學鍵”和“最強酸”的HeH+（氦合氫離子）。那么，在SOFIA上，又是什么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、芯片……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?zhèn)髌妗?/span>

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（T=1012）。太赫茲位于微波和紅外之間，其研究手段也處于電子學向光子學過渡的區(qū)域，因此展現(xiàn)出某些重要特性： 1）指紋性：許多物質(zhì)的晶格振動和分子轉(zhuǎn)動等引起的能級躍遷都對應在太赫茲譜段，而不同物質(zhì)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(zhì)的透射性有很大區(qū)別，因此太赫茲成像可以有效區(qū)分不同的材質(zhì)。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(nèi)部或被遮擋的區(qū)域。 3）安全性：太赫茲波只有毫電子伏特（meV）量級的光子能量，并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(chǎn)生有害的電離反應。 大爆炸（The Big Bang）留下的宇宙微波背景（CMB）輻射以及之后的宇宙歷史中形成的所有恒星和星系發(fā)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于理解宇宙狀態(tài)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后再發(fā)射都落在太赫茲頻段；其次，太赫茲頻段的星際介質(zhì)遮擋明顯弱于可見光/近紅外波段，所以它也是研究星際塵埃和氣體分子云內(nèi)部星際介質(zhì)和恒星物理狀態(tài)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(jié)構(gòu)原子譜線“森林”，是研究星際分子氣體物理和化學性質(zhì)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(fā)展的因素主要來自于兩方面：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干燥的“不毛之地”；其次，太赫茲高靈敏度探測技術(shù)的嚴重匱乏更一度讓天文學家缺少“金鋼鉆”。直到基于低溫超導器件的高靈敏度探測技術(shù)出現(xiàn)，才推動了太赫茲天文學的快速發(fā)展。

低溫超導探測：冷酷之“芯”，靈敏之“芯” 超導現(xiàn)象最早由荷蘭科學家H. K. Onnes于1911年發(fā)現(xiàn)。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(zhì)。后來，Ivar Giaever實驗發(fā)現(xiàn)了超導體中的“隧穿效應”，Brian Josephson則預言了“約瑟夫森效應”，基于隧穿效應的低溫超導探測技術(shù)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建立了基于光子輔助的準粒子隧穿效應混頻理論，之后隨著貝爾實驗室發(fā)明了建立于光刻工藝的鈮基超導隧道結(jié)制備技術(shù)，使超導探測器芯片的制備能力得到顯著提升。從此，太赫茲超導探測技術(shù)的發(fā)展與應用也隨之進入了飛速發(fā)展時期，并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(fā)現(xiàn)。

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！ 由于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(jù)探測器種類的不同，工作溫區(qū)會在幾十mK到幾K的范圍內(nèi)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(qū)等特點，使它具有遠高于半導體的探測靈敏度。 除了高靈敏度的優(yōu)點以外，太赫茲超導探測技術(shù)還具有平面工藝制備、本振（泵浦）信號功率需求低、高動態(tài)范圍和快響應時間等諸多優(yōu)點，使得該技術(shù)正在向著更高頻率、更高靈敏度和更大規(guī)模陣列等方向快速發(fā)展。

成像還是譜線？小孩子才做選擇題，天文學家都要！ 根據(jù)科學目標的不同，天文學家對觀測技術(shù)的需求也不盡相同：有時會需要大天區(qū)的多色成像，有時也需要高頻率分辨率的譜線觀測。太赫茲超導探測技術(shù)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，主要應用于高頻率分辨率的分子和原子譜線觀測，以及具有高空間分辨率的天線干涉陣列。目前，主流的太赫茲超導相干探測器有：超導隧道結(jié)混頻器SIS和超導熱電子混頻器HEB兩種。前者多應用于1THz以下頻段，后者則應用于1THz以上頻段，相干探測的靈敏度已經(jīng)可以突破5倍量子噪聲。

超導隧道結(jié)混頻器SIS芯片實拍圖，每個結(jié)區(qū)（圓形區(qū)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芯片實拍圖，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，主要應用于連續(xù)譜成像觀測和寬頻帶中低分辨率譜線觀測。目前，主流的太赫茲超導非相干探測器有：超導動態(tài)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(shù)均已實現(xiàn)背景極限的探測靈敏度。

超導相變邊緣探測器TES芯片，圖片來源：紫金山天文臺 上述四種太赫茲超導探測器技術(shù)中，SIS混頻器和HEB混頻器相對已經(jīng)發(fā)展成熟并廣泛應用。本文導言中所提到的“黑洞成像”便采用了超導SIS混頻器技術(shù)，而SOFIA的“HeH+發(fā)現(xiàn)”則是采用的超導HEB混頻器技術(shù)。相較而言，另外兩種探測器MKIDs和TES則更加新型。總體來看，基于低溫超導器件的太赫茲探測技術(shù)已經(jīng)或正在快速發(fā)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(guī)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(fā)展趨勢必將包括： 1）靈敏度達背景極限的超大規(guī)模連續(xù)譜成像陣列，用于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（G=109）量級的寬頻段三維成像譜儀，且同時具備大視場覆蓋能力，用于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，用于高頻譜分辨率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(yī)學、量子計算等等。 我們期待，前沿科技的快速發(fā)展，能夠成就未來我國的亞毫米波/太赫茲望遠鏡，實現(xiàn)天文科學的新發(fā)現(xiàn)，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、生命健康里來。

原文標題：“像”由“芯”生

文章出處：【微信公眾號：中科院半導體所】歡迎添加關注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責任編輯：haq