一颗光子看宇宙
以超导方式找出一个一个的光子，未来，太空世界将离我们更近。
撰文╱柯林斯（Graham P. Collins）
翻译／张明哲

一个电荷耦合装置，它是现代成像技术的主干，装在夏威夷茂纳开亚的凯克望远镜里。超导侦测器则为单光子侦测带 来希望。

电荷耦合装置（CCD）在现代消费性电子产品里已经很常见了，如数位相机、数位摄影机，以及文件扫描器。虽然它们自 1970年代末期面世后，已经成为天文学家光侦测器的主力，但是功能仍有一些限制，例如，它们无法侦测光的波长（颜色） 。数位相机解决这个问题的方式是，在个别的像素上，或是在3个分开的CCD阵列上覆盖红、蓝、绿3种颜色的滤镜。但是，滤镜会降低光感度，而且没法精确地测出波长。现在，一群喷射推进实验室（JPL）及加州理工学院的研究人员，由JPL的戴伊（Peter K. Day）带领，对外展示一种根据超导技术所制作的侦测器，可以测得单个光子，并定出其波长。更棒的是，这种侦测器似乎很适合做成如同CCD一样的大型阵列。

这个侦测器的核心位于蓝宝石基座上的一层铝质薄膜。使用标准的光蚀刻技术，就可以将铝蚀刻成折线式的长条状。当温度降到接近?对零度时（低于1度K），铝会变为超导体。如同振动的音叉，铝条中的电流会以共振频率振荡。

为什么这样就能侦测到光子？在超导体里，电子会形成松散的束缚电子对，称为古柏对（Cooper pair）。这些电子对在流动时不受阻力影响，而且它们流动的难易程度会影响铝条的共振频率。光子照到铝条，会打散一些古柏对，减缓超导电流的流速，结果会造成铝条共振频率的偏移，并减低共振的强度。光子的波长决定其能量，也决定了打散后的电子对数目，因此会影响共振偏移的程度。加上放大器及其他电路之后，就可以完成侦测的过程。

「JPL─加州理工」小组在一个原型装置上做实验，侦测具有放射性的铁同位素所放出来的X射线光子，这个设计在修改后就可以用来侦测次毫米（微波）到γ射线间的任何波长。其他的设计通常需要用到大量的外接导线，而且每个像素都要有独立的前级放大器。比较起来，这个「JPL─加州理工」侦测器有一个优点，就是藉着让每个像素在略为不同的共振频率下操作，一整个大型阵列的像素可能只需共用一个前级放大器及一根外接导线。

高感度单光子侦测器有广泛用途，包括次毫米波长到γ射线间的天文观测、材料的X光分析、单分子的显微萤光技术，及通讯。藉着侦测电晶体开关时放出的红外线，它们甚至于可以用来找寻积体电路里的瑕疵。

不过，在「JPL─加州理工」侦测器加入其他单光子侦测器的行列前，仍有些问题待克服，特别是杂讯的程度较预期来得高。JPL的戴伊说：「这种侦测器的灵敏度就地面上的天文观测而言已经够好了，但是如果要用在我们感兴趣的太空望远镜上，至少得将杂讯降低10倍。在这个新型侦测器得以广泛使用前，得先找出影响灵敏度的杂讯来源并加以消除。」

【本文原载于Scientific American 2004年1月号】

来自 http://www.sciam.com.tw/news/ne...cNo=390&CL=14