導(dǎo)言：“天問(wèn)”取火、“嫦娥”奔月，2020這一年，人類(lèi)與蒼穹之間的互動(dòng)要比過(guò)往更加頻繁。而在更早的2019年4月，人類(lèi)歷史上第一張黑洞照片在長(zhǎng)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(yuǎn)鏡連接而成的虛擬望遠(yuǎn)鏡EHT（事件視界望遠(yuǎn)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(lèi)首次在月球光照區(qū)探測(cè)到分子水的存在。實(shí)現(xiàn)這一壯舉的是一架飛機(jī)——SOFIA（平流層紅外天文臺(tái)）。值得一提的是，同樣是這架飛機(jī)，一年多前，曾在一片行星狀星云中首次探測(cè)到號(hào)稱(chēng)“宇宙最早化學(xué)鍵”和“最強(qiáng)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(shí)上，無(wú)論EHT還是SOFIA，都與太赫茲、超導(dǎo)、芯片……這些或高冷、或流行的名詞有關(guān)。這些不同的概念，也因這一連串“星辰大海”的天文學(xué)問(wèn)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(xué)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(yuǎn)紅外，其波長(zhǎng)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(xué)向光子學(xué)過(guò)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(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng)等引起的能級(jí)躍遷都對(duì)應(yīng)在太赫茲譜段，而不同物質(zhì)的光譜位置、強(qiáng)度、形狀均有差異，具有指紋般的唯一性，常被稱(chēng)作為太赫茲“指紋譜”。 2）穿透性：太赫茲輻射對(duì)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(duì)可見(jiàn)光不透明的物體進(jìn)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(jí)的光子能量，并且水對(duì)它具有強(qiáng)烈的吸收，因此不會(huì)對(duì)物體尤其是生物組織產(chǎn)生有害的電離反應(yīng)。 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(yuǎn)紅外波段。太赫茲天文學(xué)的研究對(duì)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(cè)宇宙早期遙遠(yuǎn)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(jiàn)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(dú)特頻段；其三，太赫茲頻段包含豐富的分子譜線和精細(xì)結(jié)構(gòu)原子譜線“森林”，是研究星際分子氣體物理和化學(xué)性質(zhì)的理想診斷工具。

然而，太赫茲頻段仍然是一個(gè)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(lái)自于兩方面：首先，地球大氣中水的強(qiáng)烈吸收是天體太赫茲信號(hào)地面探測(cè)的“攔路虎”，迫使天文學(xué)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(cè)技術(shù)的嚴(yán)重匱乏更一度讓天文學(xué)家缺少“金鋼鉆”。直到基于低溫超導(dǎo)器件的高靈敏度探測(cè)技術(shù)出現(xiàn)，才推動(dòng)了太赫茲天文學(xué)的快速發(fā)展。

低溫超導(dǎo)探測(cè)：冷酷之“芯”，靈敏之“芯” 超導(dǎo)現(xiàn)象最早由荷蘭科學(xué)家H. K. Onnes于1911年發(fā)現(xiàn)。不過(guò)，直到1957年，美國(guó)物理學(xué)家John Bardeen、Leon Cooper、John Schrieffer建立了低溫超導(dǎo)理論（即BCS理論），才完美解釋了超導(dǎo)電性的物理本質(zhì)。后來(lái)，Ivar Giaever實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體中的“隧穿效應(yīng)”，Brian Josephson則預(yù)言了“約瑟夫森效應(yīng)”，基于隧穿效應(yīng)的低溫超導(dǎo)探測(cè)技術(shù)研究的大門(mén)也從此開(kāi)啟。 上世紀(jì)七十年代末，美國(guó)物理學(xué)家John Tucker建立了基于光子輔助的準(zhǔn)粒子隧穿效應(yīng)混頻理論，之后隨著貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了建立于光刻工藝的鈮基超導(dǎo)隧道結(jié)制備技術(shù)，使超導(dǎo)探測(cè)器芯片的制備能力得到顯著提升。從此，太赫茲超導(dǎo)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用也隨之進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)期，并推動(dòng)了太赫茲天文學(xué)的快速進(jìn)步，引領(lǐng)了一系列重大天文科學(xué)的新突破與新發(fā)現(xiàn)。

與半導(dǎo)體探測(cè)器相比，超導(dǎo)探測(cè)器具有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：冷和靈！ 由于低溫超導(dǎo)的材料特性，超導(dǎo)探測(cè)器通常需要在接近絕對(duì)零度的極低溫度下工作。根據(jù)探測(cè)器種類(lèi)的不同，工作溫區(qū)會(huì)在幾十mK到幾K的范圍內(nèi)有所不同（K：開(kāi)爾文，溫度單位）。而正因?yàn)槌瑢?dǎo)探測(cè)的低能隙、低溫區(qū)等特點(diǎn)，使它具有遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體的探測(cè)靈敏度。 除了高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)以外，太赫茲超導(dǎo)探測(cè)技術(shù)還具有平面工藝制備、本振（泵浦）信號(hào)功率需求低、高動(dòng)態(tài)范圍和快響應(yīng)時(shí)間等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(xué)家都要！ 根據(jù)科學(xué)目標(biāo)的不同，天文學(xué)家對(duì)觀測(cè)技術(shù)的需求也不盡相同：有時(shí)會(huì)需要大天區(qū)的多色成像，有時(shí)也需要高頻率分辨率的譜線觀測(cè)。太赫茲超導(dǎo)探測(cè)技術(shù)大致可分為兩大類(lèi)：相干探測(cè)和非相干探測(cè)。 太赫茲相干探測(cè)器可以同時(shí)探測(cè)信號(hào)的幅度和相位信息，主要應(yīng)用于高頻率分辨率的分子和原子譜線觀測(cè)，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(dǎo)相干探測(cè)器有：超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器SIS和超導(dǎo)熱電子混頻器HEB兩種。前者多應(yīng)用于1THz以下頻段，后者則應(yīng)用于1THz以上頻段，相干探測(cè)的靈敏度已經(jīng)可以突破5倍量子噪聲。

超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器SIS芯片實(shí)拍圖，每個(gè)結(jié)區(qū)（圓形區(qū)域）的尺寸是直徑1微米，圖片來(lái)源：紫金山天文臺(tái)

超導(dǎo)熱電子混頻器HEB芯片實(shí)拍圖，中心微橋尺寸2微米×0.2微米，圖片來(lái)源：紫金山天文臺(tái) 太赫茲非相干探測(cè)器則只能探測(cè)信號(hào)的幅度信息，而不獲取其相位信息，主要應(yīng)用于連續(xù)譜成像觀測(cè)和寬頻帶中低分辨率譜線觀測(cè)。目前，主流的太赫茲超導(dǎo)非相干探測(cè)器有：超導(dǎo)動(dòng)態(tài)電感探測(cè)器MKIDs和超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器TES，兩種非相干探測(cè)技術(shù)均已實(shí)現(xiàn)背景極限的探測(cè)靈敏度。

超導(dǎo)相變邊緣探測(cè)器TES芯片，圖片來(lái)源：紫金山天文臺(tái) 上述四種太赫茲超導(dǎo)探測(cè)器技術(shù)中，SIS混頻器和HEB混頻器相對(duì)已經(jīng)發(fā)展成熟并廣泛應(yīng)用。本文導(dǎo)言中所提到的“黑洞成像”便采用了超導(dǎo)SIS混頻器技術(shù)，而SOFIA的“HeH+發(fā)現(xiàn)”則是采用的超導(dǎo)HEB混頻器技術(shù)。相較而言，另外兩種探測(cè)器MKIDs和TES則更加新型。總體來(lái)看，基于低溫超導(dǎo)器件的太赫茲探測(cè)技術(shù)已經(jīng)或正在快速發(fā)展著，但仍在以下三個(gè)方面具有突破空間：更高的探測(cè)靈敏度、更大規(guī)模的陣列、更高的探測(cè)頻率上限。 因此，未來(lái)太赫茲/亞毫米波望遠(yuǎn)鏡探測(cè)終端的發(fā)展趨勢(shì)必將包括： 1）靈敏度達(dá)背景極限的超大規(guī)模連續(xù)譜成像陣列，用于進(jìn)行遙遠(yuǎn)宇宙的亞毫米波/太赫茲成像； 2）帶寬覆蓋可達(dá)百GHz（G=109）量級(jí)的寬頻段三維成像譜儀，且同時(shí)具備大視場(chǎng)覆蓋能力，用于精確測(cè)量天體在宇宙中的位置（宇宙學(xué)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(jī)，用于高頻譜分辨率譜線的天體成像探測(cè)。 敢問(wèn)路在何方 太赫茲以及高靈敏度超導(dǎo)探測(cè)，不只在天文學(xué)具有重要的意義，在其他學(xué)科亦具備廣泛的研究和應(yīng)用價(jià)值；不只在嚴(yán)苛的微弱天文信號(hào)探測(cè)中有用武之地，在其他領(lǐng)域中亦具有重要且廣闊的應(yīng)用舞臺(tái)。比如：信息科學(xué)、大氣科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、量子計(jì)算等等。 我們期待，前沿科技的快速發(fā)展，能夠成就未來(lái)我國(guó)的亞毫米波/太赫茲望遠(yuǎn)鏡，實(shí)現(xiàn)天文科學(xué)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(shī)歌般從遠(yuǎn)方向我們走來(lái)，走進(jìn)我們的衣食住行、生命健康里來(lái)。

原文標(biāo)題：“像”由“芯”生

文章出處：【微信公眾號(hào)：中科院半導(dǎo)體所】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq