把能量留在房间里

技术似乎年复一年地进步，就像魔术一样。但在每一次渐进式改进和突破性革命的背后，都是一支努力工作的科学家和工程师团队。

加州大学圣巴巴拉分校的本·马津教授正在为望远镜和天文台开发精密光学传感器。在《物理评论快报》上发表的一篇论文中，他和他的团队提高了超导传感器的光谱分辨率，这是他们实现最终目标的一个重大步骤：分析系外行星的组成。

第一作者尼古拉斯·佐布里斯特（NicholasZobrist）是马津实验室的一名博士生，他说：“我们能够将探测器的光谱分辨率大致提高一倍。”。

“这是我们见过的最大的能量分辨率提高，”马津补充道。“这为我们实现以前无法实现的科学目标开辟了一条全新的道路。”

马津实验室使用一种称为MKID的传感器。像手机摄像头中的CMOS传感器这样的大多数光探测器都是基于硅的半导体。它们通过光电效应进行操作：光子撞击传感器，击落一个电子，然后可以将其检测为适合微处理器处理的信号。

MKID使用超导体，其中电流可以无电阻流动。除了零电阻外，这些材料还有其他有用的特性。例如，半导体有一个间隙能量，需要克服这个间隙能量才能将电子击出。超导体中的相关间隙能量约为10000倍，因此它甚至可以检测到微弱的信号。

更重要的是，一个光子可以从超导体中击落许多电子，而在半导体中只有一个电子。通过测量移动电子的数量，MKID实际上可以确定入射光的能量（或波长）。“光子的能量，或者说它的光谱，告诉了我们很多关于发射光子的物理信息，”马津说。

泄漏能量

研究人员已经达到了一个极限，即他们可以使这些MKID变得多么敏感。经过仔细检查，他们发现能量正从超导体泄漏到制作该设备的蓝宝石晶片中。结果，信号似乎比实际信号弱。

在典型的电子学中，电流是由移动电子携带的。但它们有与周围环境相互作用的趋势，在所谓的阻力中分散和损失能量。在超导体中，两个电子将配对，一个自旋向上，一个自旋向下，这个库珀对，正如它所说的，能够在没有电阻的情况下移动。

“这就像是俱乐部里的一对情侣，”马津解释道。“你有两个人配对，然后他们可以在人群中一起移动，没有任何阻力。然而，一个人停下来与沿途的每个人交谈，让他们放慢了速度。”

在超导体中，所有的电子都是成对的。“他们都在一起跳舞，四处走动，很少与其他情侣互动，因为他们都深深地注视着对方的眼睛。

“光子击中传感器就像有人进来，把饮料洒在其中一个伙伴身上，”他继续说。“这会导致夫妻分手，导致一方绊倒其他夫妻，并造成骚乱。”这是MKID测量的移动电子级联。

但有时这种情况发生在舞池的边缘。被冒犯的一方跌跌撞撞地走出俱乐部，没有撞到其他任何人。对其他舞者来说很好，但对科学家来说不是。如果这种情况发生在MKID中，那么光信号将看起来比实际弱。

把他们围起来

Mazin、Zobrist和他们的合著者发现，在超导传感器和基板之间放置一层薄薄的金属铟，大大减少了传感器的能量泄漏。铟基本上就像围着舞池的栅栏，把被推搡的舞者留在房间里，并与其他人群互动。

他们之所以选择铟，是因为它在MKID工作的温度下也是一种超导体，如果相邻的超导体很薄，它们往往会相互配合。不过，这种金属确实给球队带来了挑战。铟比铅软，所以有结块的倾向。这对于制作研究人员所需的薄而均匀的层来说并不太好。

但他们的时间和努力得到了回报。研究报告称，该技术将波长测量不确定度从10%降低到5%。例如，使用该系统，波长为1000纳米的光子现在可以测量到50纳米的精度。“这对我们所能做的科学有着真正的意义，”马津说，“因为我们可以更好地解析我们正在观察的物体的光谱。”

不同的现象发射具有特定光谱（或波长）的光子，不同的分子吸收不同波长的光子。利用这种光，科学家可以使用光谱学来确定附近和整个可见宇宙中物体的组成。

马津对将这些探测器应用于系外行星科学特别感兴趣。目前，科学家只能对系外行星的一小部分进行光谱学研究。这颗行星需要在其恒星和地球之间穿过，而且它必须有一层厚厚的大气层，以便有足够的光线穿过它，供研究人员使用。尽管如此，信噪比仍然很低，尤其是对于岩石行星，马津说。

有了更好的MKID，科学家可以利用行星表面反射的光，而不是仅通过其狭窄的大气层传输的光。凭借下一代30米望远镜的能力，这将很快成为可能。

马津小组也在试验一种完全不同的方法来解决能量损失问题。虽然这篇论文的结果令人印象深刻，但马津说，如果他的团队在这项新的努力中取得成功，他相信铟技术可能会过时。他补充说，不管怎样，科学家们都在迅速接近他们的目标。