一种纳米级超低噪音微测辐射热计

测辐射热计是一种通过测量电磁辐射的热效应来测量入射电磁辐射功率的传感器,它一直是天文学、消费类设备以及热敏相机等安防应用中的主力军。但是,如同所有传感器一样,为了驱动新的应用,工程师们一直在寻找使测辐射热计体积更小、灵敏度更好和响应更快的方法。

麦姆斯咨询报道,芬兰阿尔托大学(Aalto University)的研究人员现已推出一种纳米级微测辐射热计,他们声称它比其它低噪声测辐射热计快十倍,本底噪声低十倍,并且尺寸小于10 μm(doi:10.1038 / s42005-019-0225-6)。该研究小组表示,该器件能够探测的热能变化低至0.3 ev,而热时间常数仅为30 μs。此外,通过一定的设计改进,还可以进一步提高响应速度。研究人员认为它可以在最前沿的应用中找到用武之地,例如检测单个太赫兹光子,以及读取超导量子计算机中的量子位(qubit)值。

纳米级微测辐射热计的伪彩色图像,作为对比,左下角的黑条是曼尼罗尼丝菌的大小(约1.3 μm)。
纳米级微测辐射热计的伪彩色图像,作为对比,左下角的黑条是曼尼罗尼丝菌的大小(约1.3 μm)。

温度影响

微测辐射热计利用了某些材料中电阻的温度依赖性。当电磁辐射与目标材料相互作用时,入射功率会无限地提高材料温度;这反过来会改变材料的电阻,该电阻变化与辐射功率相关,且可以被读出。读出速度取决于微测辐射热计的热时间常数,即设备加热到足以提供可靠读出所需要的时间。时间常数又取决于传感器材料的热容量以及探测器的几何形状和设计。

为了创建更好的模型,这支由阿尔托大学Mikko Möttönen领导,与芬兰VTT技术研究中心以及来自美国国家标准研究院和加利福尼亚理工学院的一些科学家组成的研究团队,开始着手思考如何使器件小型化的问题。基于三年前Möttönen小组发表的设计,本研究小组在垂直于纳米线的一系列超导铝岛上铺设了一条长10 μm、宽200 nm、厚数十纳米的金钯线。超导体/普通金属/超导体的第一个结点产生用于检测辐射的电阻负载,其他结点形成一个电感-电容谐振器,用于读出信号。

这款器件的显微照片和示意图。H、P和G是用于信号采集和读出的电路;JPA是Josephson参数放大器。
这款器件的显微照片和示意图。H、P和G是用于信号采集和读出的电路;JPA是Josephson参数放大器。

尺寸问题

该论文的主要作者,阿尔托大学的Roope Kokkoniemi解释说,将微测辐射热计做得如此之小,是提高其灵敏度的关键之一。小尺寸辐射探测器的热容量低,因此,弱辐射也可以提供更强的信号。”此外,该团队还为读出电路增加了纳米级Josephson参数放大器(JPA),它可以放大读出的功率并潜在地提高可分辨信号,从而相比之前的器件提高了微测辐射热计的分辨率。

在关闭JPA的测试中,研究人员发现,它可以测量50 zW/√Hz的噪声等效功率(NEP),时间常数为0.6 ms,且通过使可分辨的NEP至80 zW/√Hz可以将时间常数降低100 s。启用JPA后,仪器能够在30 μs内分辨出60 zW/√Hz的NEP。该团队表示,这两个数字至少比以前报道的微测辐射热计好一个数量级。而且,他们表示这款微测辐射热计能够在30 μs内获得低至0.3 zJ的量热能变化。

量子应用

随着微测辐射热计稳定性和分辨率的不断提高,研究人员看到了该器件的各种潜在应用。例如,它可以在航天器上用于宇宙大爆炸微波背景(CMB)的超灵敏测量;它还可以作为高灵敏太赫兹天线或单光子计数器的基础,在天文学和其他领域寻求广泛的新型探测器应用。

Möttönen和他的团队特别关注的应用领域是新兴的量子信息技术。例如,这款新的测辐射热计可用于监控装有超导量子计算机的超冷低温恒温器中的辐射水平,从而更好地屏蔽那些敏感仪器。

从长远来看,据Möttönen称,这种新型微测辐射热计甚至有可能用作超导量子计算机中量子位的读取设备。但是,要连续数次读取超导量子计算机中的量子信息而又不使其退化,微测辐射热计的响应速度还必须快大约一百倍。因此,微测辐射热计的响应时间还需要进一步缩短。

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