科學(xué)家近30年來一直在研究使用超導(dǎo)材料“記錄”單個光子。然而，這些探測器由直徑只有人類頭發(fā)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(jù)報道，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的研究人員現(xiàn)已證明，通過改變這些納米線的組成，改進(jìn)的探測器可以有效“記錄”波長達(dá)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(dāng)物體輻射熱量時就會發(fā)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(yīng)用開啟了巨大的新機(jī)遇，這些研究包括：加強(qiáng)對其他行星上生命化學(xué)跡象的搜索，在漆黑環(huán)境中對車輛的隱形導(dǎo)航，以及對暗物質(zhì)的搜索，這種看不見的物質(zhì)被認(rèn)為占據(jù)了宇宙總質(zhì)量的80%。

試圖了解星球演化和氣候變化的地球科學(xué)家，以及尋找太陽系外生命跡象的天文學(xué)家們，均對探測中紅外單光子的能力特別感興趣。這是因?yàn)樵S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(xué)家在太陽系之外尋找生物活動跡象時，會“記錄”遙遠(yuǎn)恒星透過環(huán)繞行星的大氣層發(fā)出的極其微弱的光。如果大氣層中可能存在生命的化學(xué)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(jiān)測環(huán)繞地球運(yùn)行的望遠(yuǎn)鏡所接收的光譜就能發(fā)覺。雖然天基望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)使用傳統(tǒng)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(qiáng)水平較低時可能至關(guān)重要的。

例如，假設(shè)恒星發(fā)射10,000個光子穿過了行星的大氣層（在這個光子數(shù)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(dá)環(huán)繞地球望遠(yuǎn)鏡中的探測器，從而觸發(fā)電流并被放大，以讀出信號輸出。

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

相比之下，超導(dǎo)納米線探測器的讀出噪聲就要低很多。當(dāng)單個光子被吸收時，超導(dǎo)性在器件中會被暫時破壞，并產(chǎn)生出很易測量的小電流脈沖。其他研究表明，這種讀出技術(shù)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(nèi)也非常穩(wěn)定，這對許多天文學(xué)研究來說是額外的優(yōu)勢：對行星大氣層的觀測通常需要數(shù)個完整軌道周期進(jìn)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(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)。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(chǎn)生電信號。同時低溫也限制了探測器中的隨機(jī)電子噪聲，這種特性在如此低光量的傳感應(yīng)用中非常重要。

探測中紅外光子的主要挑戰(zhàn)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(bǔ)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(dāng)紅外光子撞擊探測器時，電子有足夠的能量穿過超導(dǎo)能隙并產(chǎn)生信號的可能性。

研究團(tuán)隊(duì)通過提升納米線中硅相對于鎢的含量，來限制電子的數(shù)量（這是因?yàn)楣璧淖杂呻娮虞^少，因此其導(dǎo)電性比鎢差）。研究人員發(fā)現(xiàn)，將硅鎢比例調(diào)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(jìn)實(shí)驗(yàn)室、麻省理工學(xué)院、英國蘭卡斯特大學(xué)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(dá)10微米的內(nèi)部量子效率飽和。隨著設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)，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(qū)域，以便適用于望遠(yuǎn)鏡觀測設(shè)計(jì)的紅外相機(jī)。這項(xiàng)研究正在進(jìn)行中。