超导探测器与太赫兹天文和物理应用

太赫兹频段(0.1—10 THz)占有宇宙空间近一半的光子能量，特别适合观测早期遥远天体、正在形成冷暗天体，以及被尘埃遮掩天体，且具有非常丰富的分子、原子及离子谱线，是其他频段不可替代的宇宙观测窗口。近四十年来，低温超导探测器技术得到快速发展，在天文学领域率先实现应用并取得系列有显著影响的研究成果，如黑洞成像、原行星盘精细结构观测以及近邻宇宙水分子刻画和宇宙最先诞生的电离氢化氦离子探测等。文章将主要介绍4种国际主流太赫兹超导探测器(即超导隧道结(SIS)混频器、超导热电子(HEB)混频器、超导相变边缘(TES)探测器和超导动态电感(KID)探测器)的研究进展、应用突破和未来发展趋势。

关键词 超导探测器，太赫兹探测，天文学观测1 引 言太赫兹(terahertz，THz)频段一般定义为0.1—10 THz的频率区间，对应波长为3 mm至30 µm波段，介于微波和红外之间。

在天文学领域，太赫兹频段具有独特优势。

首先，太赫兹频段汇聚了宇宙微波背景辐射之后接近50%的宇宙不同红移处各类天体辐射能量(相当于紫外、可见光和近红外波段辐射能量的总和)。

其次，太赫兹频段最适合观测形成阶段的冷暗天体(典型温度为10 K，对应光谱辐射峰值约在1 THz频段)、早期遥远天体(其紫外与可见光辐射被星际尘埃吸收后产生更长波段的连续谱辐射，多普勒频移效应将其转移至太赫兹频段)、以及被尘埃遮掩天体(太赫兹频段星际介质遮掩远弱于可见光/近红外，即太赫兹频段的穿透性)。

另外，太赫兹频段含有丰富的分子、原子和离子谱线，使得太赫兹频段成为研究天体物理化学性质及动力学特征的独特频段。

因此，太赫兹频段在当代天文学前沿研究中具有特别重要的作用[1—3]，对于理解宇宙状态和演化(包括早期宇宙演化、恒星和星系形成、行星及行星系统形成等)具有非常重要的意义。

20世纪90年代以来，太赫兹频段天文观测已经取得若干有显著影响的研究成果，如利用宇宙微波背景辐射精确测量宇宙学参数、亚毫米波星系发现、原行星盘精细结构观测、黑洞成像，以及近邻宇宙水分子刻画和宇宙最先诞生的电离氢化氦离子(HeH+)探测等[4—9]。

在上述重要的太赫兹天文观测发现中，WMAP、Planck、Herschel、SOFIA等空间及天基望远镜，SPT、JCMT、IRAM、SMA、ALMA等地面望远镜及阵列发挥了重要作用。

值得指出的是，太赫兹天文得以快速发展主要得益于超高灵敏度及大规模阵列低温超导探测器技术的进步。

目前国际主流的低温超导探测器包括：超导隧道结(superconductor-insulator-superconductor，SIS)混频器[10]、超导热电子(hot-electron bolometer，HEB)混频器[11]、超导相变边缘探测器(transition edge sensor，TES)[12]，以及超导动态电感探测器(kinetic inductance detector，KID)[13]，前两种主要针对高光谱分辨率探测，后两种主要针对大规模成像及宽带成像光谱探测。

本文将主要介绍这4种国际主流太赫兹超导探测器的研究进展、应用突破和未来发展趋势。

2 太赫兹超导混频器及超高光谱分辨率探测应用太赫兹混频器是通过对太赫兹信号和本振参考信号混频从而产生中频信号，可同时探测信号幅度和相位信息。

天文观测应用中，太赫兹混频器主要是用于分子转动谱线和原子精细结构谱线的超高光谱分辨率探测(光谱分辨率大于106)，研究星际介质循环、恒星形成、宇宙生命环境等前沿科学问题。

此外，太赫兹混频器也是构建超高空间分辨率干涉阵的核心技术。

超导混频器是目前太赫兹频段灵敏度最高的混频器，具有接近量子噪声极限(/B，为普朗克常数，为频率，B为玻尔兹曼常数)的灵敏度，比基于半导体器件(如肖特基二极管)的低温制冷混频器高一个量级以上。

目前，国际主流的太赫兹超导混频器是基于低温超导体的超导SIS混频器和超导HEB混频器，前者主要工作在1 THz以下频段，后者主要在1 THz以上频段应用。

2.1 超导隧道结(SIS)混频器超导SIS混频器是由超导体—势垒层—超导体结构构成，如图1(a)所示。

20世纪60年代初期，英国物理学家B. Josephson理论预言了超导体—势垒层—超导体中存在约瑟夫森效应[14]，而挪威物理学家I. Giaever实验发现了超导体中的准粒子隧穿效应[15]，自此开始了基于准粒子隧穿效应的混频实验研究。

图1(b)是典型的超导SIS混频器有无太赫兹辐照的电压—电流特性。

可以看出，超导SIS混频器的伏安特性有两个典型特征，超低暗电流和超强的非线性，前者决定了超导SIS混频器的噪声特性，后者决定了变频增益，两者共同定义了混频特性。

20世纪70年代末至80年代初，美国物理学家J. Tucker等建立了基于光子辅助准粒子隧穿效应的量子混频理论[10]，并预言超导SIS混频器噪声可达量子噪声、可实现变频增益以及具有负阻效应等重要结果。

在实验方面，美国贝尔实验室的M. Gurvitch等发明了基于标准光刻工艺的Nb/Al-AlO/Nb超导SIS混频器制备工艺[16]，使得超导SIS混频器器件制备的可靠性及质量得到大幅提升。

自此以后，太赫兹频段超导SIS混频器技术得到快速发展。

目前，基于铌材料的超导SIS混频器在1 THz以下频段灵敏度已突破3—5倍量子噪声[17]，中频瞬时带宽接近20 GHz，几乎是地面在建及规划的大型亚毫米波/太赫兹望远镜高光谱分辨率探测终端(外差混频接收机，相干探测)的唯一选择。

图1 (a)超导SIS混频器结构图；(b)有(红色虚线)无(蓝色实线)太赫兹辐照时超导SIS混频器电压—电流特性曲线。

太赫兹辐照后，出现光子辅助准粒子隧穿效应台阶，每个光子台阶对应电压宽度是/(为约化普朗克常数，为太赫兹辐照频率，为电子电荷)，光子台阶高度与太赫兹辐照功率相关超导SIS混频器的工作频段受超导材料能隙频率(铌材料能隙频率约为0.7 THz)限制。

在能隙以上频率超导SIS混频器的灵敏度将急剧恶化，主要原因是当光子频率高于超导材料能隙频率时，会拆散混频电路超导体中的库珀对(Cooper pair)，导致能量损耗[18，19]。

因此，发展高能隙频率的超导SIS混频器进而不断提升其工作频段是该领域的重要研究方向。

2008年，中国科学院紫金山天文台在国际上率先开展了基于高能隙材料氮化铌的超导SIS混频器技术研究，成功制备了氮化铌超导SIS混频器器件，并系统研究了各项物理特性，实验揭示了其在约瑟夫森噪声干扰抑制和工作温度区间拓宽(图2)等方面的明显优势[20]。

环境温度4.8 K时，氮化铌超导SIS混频器在0.46 THz频段实测未校准双边带接收机噪声温度约为150 K，优于7倍量子极限，这是该频段氮化铌超导SIS混频器实现的最好噪声性能，基本达到了传统铌超导SIS混频器的噪声水平。

另外，美国加州理工学院也开展了基于高能隙材料铌钛氮的超导SIS混频器技术研究，在0.8 THz频段实测铌钛氮超导SIS混频接收机噪声温度约为260 K[21]。

图2 铌和氮化铌超导SIS混频器双边带接收机噪声温度Trx(上)和能隙电压(下)随温度变化特性对比[20]，其中氮化铌超导SIS混频器采用了两种调谐电路，分别为NbN/MgO/NbN(红色线)和NbN/SiO2/Nb(蓝色线)2.2 超导热电子(HEB)混频器对于1 THz以上频段，超导HEB混频器是目前灵敏度最高的混频器。

图3(a)是超导HEB混频器器件照片，它由超导微桥和射频耦合电路构成。

超导微桥是一层几纳米厚的超导薄膜，其两端通过电极与射频耦合电路连接，实现射频信号耦合和直流偏置。

图3(b)是超导HEB混频器内热输运机制示意图，太赫兹辐射经由射频耦合电路馈入超导微桥，超导微桥中处于低温平衡态的电子吸收太赫兹光子后，通过电子之间的相互作用使得电子温度升高(即热电子效应)，随后通过电子—声子相互作用将能量传递给声子从而升高声子温度，最后热量逃逸到介质基板中而重新恢复平衡态。

此外，超导微桥中电子吸收的能量也可以通过电子运动扩散到两端电极而恢复平衡态。

20世纪90年代以来，随着对超导HEB混频器物理机理的深入理解和器件制备工艺的逐渐成熟，超导HEB混频器已能够覆盖1—5 THz全频段，噪声温度突破5倍量子噪声[22—24]。

图3 (a)超导HEB混频器器件照片；(b)超导HEB混频器内热输运机制示意图尽管太赫兹超导HEB混频器研究已经取得了很大进步，但其物理机制尚未完全解明。

广为利用的理论框架是简单的热点模型(hot spot model)[25]：假定超导微桥中心区域是一个电阻性热点，其尺寸取决于直流和本振参考信号功率，微桥中心点电子温度接近超导微桥临界转变温度。

热点模型可以较好地解释超导薄膜能隙以上频率的太赫兹波吸收与电声相互作用等行为，但在能隙以下频率仍难以解释实测电压—电流与电阻—温度等特性。

对于基于高能隙超导薄膜(具有更高的能隙频率)超导HEB混频器，这一问题将愈加突出。

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