把能量留在房間里

技術似乎年復一年地進步，就像魔術一樣。但在每一次漸進式改進和突破性革命的背後，都是一支努力工作的科學家和工程師團隊。

加州大學聖巴巴拉分校的本·馬津教授正在為望遠鏡和天文台開發精密光學傳感器。在《物理評論快報》上發表的一篇論文中，他和他的團隊提高了超導傳感器的光譜分辨率，這是他們實現最終目標的一個重大步驟：分析系外行星的組成。

第一作者尼古拉斯·佐布里斯特（NicholasZobrist）是馬津實驗室的一名博士生，他說：「我們能夠將探測器的光譜分辨率大致提高一倍。」。

「這是我們見過的最大的能量分辨率提高，」馬津補充道。「這為我們實現以前無法實現的科學目標開闢了一條全新的道路。」

馬津實驗室使用一種稱為MKID的傳感器。像手機攝像頭中的CMOS傳感器這樣的大多數光探測器都是基於硅的半導體。它們通過光電效應進行操作：光子撞擊傳感器，擊落一個電子，然後可以將其檢測為適合微處理器處理的信號。

MKID使用超導體，其中電流可以無電阻流動。除了零電阻外，這些材料還有其他有用的特性。例如，半導體有一個間隙能量，需要克服這個間隙能量才能將電子擊出。超導體中的相關間隙能量約為10000倍，因此它甚至可以檢測到微弱的信號。

更重要的是，一個光子可以從超導體中擊落許多電子，而在半導體中只有一個電子。通過測量移動電子的數量，MKID實際上可以確定入射光的能量（或波長）。「光子的能量，或者說它的光譜，告訴了我們很多關於發射光子的物理信息，」馬津說。

泄漏能量

研究人員已經達到了一個極限，即他們可以使這些MKID變得多麼敏感。經過仔細檢查，他們發現能量正從超導體泄漏到製作該設備的藍寶石晶片中。結果，信號似乎比實際信號弱。

在典型的電子學中，電流是由移動電子攜帶的。但它們有與周圍環境相互作用的趨勢，在所謂的阻力中分散和損失能量。在超導體中，兩個電子將配對，一個自旋向上，一個自旋向下，這個庫珀對，正如它所說的，能夠在沒有電阻的情況下移動。

「這就像是俱樂部里的一對情侶，」馬津解釋道。「你有兩個人配對，然後他們可以在人群中一起移動，沒有任何阻力。然而，一個人停下來與沿途的每個人交談，讓他們放慢了速度。」

在超導體中，所有的電子都是成對的。「他們都在一起跳舞，四處走動，很少與其他情侶互動，因為他們都深深地注視着對方的眼睛。

「光子擊中傳感器就像有人進來，把飲料灑在其中一個夥伴身上，」他繼續說。「這會導致夫妻分手，導致一方絆倒其他夫妻，並造成騷亂。」這是MKID測量的移動電子級聯。

但有時這種情況發生在舞池的邊緣。被冒犯的一方跌跌撞撞地走出俱樂部，沒有撞到其他任何人。對其他舞者來說很好，但對科學家來說不是。如果這種情況發生在MKID中，那麼光信號將看起來比實際弱。

把他們圍起來

Mazin、Zobrist和他們的合著者發現，在超導傳感器和基板之間放置一層薄薄的金屬銦，大大減少了傳感器的能量泄漏。銦基本上就像圍着舞池的柵欄，把被推搡的舞者留在房間里，並與其他人群互動。

他們之所以選擇銦，是因為它在MKID工作的溫度下也是一種超導體，如果相鄰的超導體很薄，它們往往會相互配合。不過，這種金屬確實給球隊帶來了挑戰。銦比鉛軟，所以有結塊的傾向。這對於製作研究人員所需的薄而均勻的層來說並不太好。

但他們的時間和努力得到了回報。研究報告稱，該技術將波長測量不確定度從10%降低到5%。例如，使用該系統，波長為1000納米的光子現在可以測量到50納米的精度。「這對我們所能做的科學有着真正的意義，」馬津說，「因為我們可以更好地解析我們正在觀察的物體的光譜。」

不同的現象發射具有特定光譜（或波長）的光子，不同的分子吸收不同波長的光子。利用這種光，科學家可以使用光譜學來確定附近和整個可見宇宙中物體的組成。

馬津對將這些探測器應用於系外行星科學特別感興趣。目前，科學家只能對系外行星的一小部分進行光譜學研究。這顆行星需要在其恆星和地球之間穿過，而且它必須有一層厚厚的大氣層，以便有足夠的光線穿過它，供研究人員使用。儘管如此，信噪比仍然很低，尤其是對於岩石行星，馬津說。

有了更好的MKID，科學家可以利用行星表面反射的光，而不是僅通過其狹窄的大氣層傳輸的光。憑藉下一代30米望遠鏡的能力，這將很快成為可能。

馬津小組也在試驗一種完全不同的方法來解決能量損失問題。雖然這篇論文的結果令人印象深刻，但馬津說，如果他的團隊在這項新的努力中取得成功，他相信銦技術可能會過時。他補充說，不管怎樣，科學家們都在迅速接近他們的目標。