互动科普

 电荷藕合器，又称作CCD，已经成为现代消费电子产品中的寻常之物。它们用于数码相机，便携式摄像机和文件扫描仪中。1970年代后期出现以来，它们已广泛应用于天文学家的光探测器。但CCD有很多局限。特别是它们不能探测光波长（也就是颜色）。数码相机通过在单个像素或三个独立CCD阵列上添加红、蓝、绿滤光片来克服这个困难。然而，滤光片降低了敏感性，且无法测量出任何精度的波长。现在，在喷气动力实验室（JPL）和加州理工大学，由JPL的Peter K. Day领导的研究组开发出了一种基于超导技术的探测器。它可以探测出单个光子和它的波长。最妙的是，这种探测器看起来非常适于排成阵列，就像CCD那样。

这种探测器的核心由生长在蓝宝石衬底上的铝薄膜构成。铝通过标准光刻过程刻蚀出蜿蜒的条。当冷却至接近绝对零度（小于1K）时，铝变成超导状态。就像音叉的振动一样，电流在铝条里以一定的共振频率振荡。

所有这些怎样探测出一个光子呢？在超导体中，电子形成松散束缚对，成为库柏对。正是这些电子，它们无阻碍地流动，同时很容易影响条中的共振频率。当一个光子冲击到铝条，一些电子对就被破坏，使超导体更加“行动迟缓”，这就改变了条的共振频率，也使共振力度变弱。依赖于波长的光子能量决定了被打破的电子对数目，从而决定了共振的改变程度。放大器和其他电路完成整个探测过程。JPL-加州理工研究组测试了一个样机，利用放射性铁的同位素释放出X射线。但通用的设计可以适应探测从亚毫米（微波）到伽马射线范围内的所有波长。

JPL-加州理工的传感器与其他与之竞争的设计方案相比，优势在于其他方案需要大量输出线，且每个像素都要有一个单独的前置放大器。使每个像素围内的天文观测、材料的X射线分析、单分子荧光显微镜以及通信。它们已经用于通过观察晶体管开关时发出的红外线来探测集成电路的缺陷。

然而，在JPL-加州理工的器件加入到其他单光子探测器的行列之前，仍然有某些问题亟待解决。特别是噪音水平比预想的要高。喷气动力实验室的Day说，探测器的灵敏度“对一些地面的天文观测是足够的，但对于我们感兴趣的太空望远镜，其应用的灵敏度至少应该提高十倍。”在新探测器发射完全准备停当之前，必须找到干扰灵敏度的噪声源，消除它。

[孙学锋/译 杨光/校]