一顆光子看宇宙
以超導方式找出一個一個的光子，未來，太空世界將離我們更近。
撰文╱柯林斯（Graham P. Collins）
翻譯／張明哲

一個電荷耦合裝置，它是現代成像技術的主幹，裝在夏威夷茂納開亞的凱克望遠鏡裏。超導偵測器則為單光子偵測帶 來希望。

電荷耦合裝置（CCD）在現代消費性電子產品裏已經很常見了，如數位相機、數位攝影機，以及文件掃描器。雖然它們自 1970年代末期面世後，已經成為天文學家光偵測器的主力，但是功能仍有一些限制，例如，它們無法偵測光的波長（顏色） 。數位相機解決這個問題的方式是，在個別的像素上，或是在3個分開的CCD陣列上覆蓋紅、藍、綠3種顏色的濾鏡。但是，濾鏡會降低光感度，而且沒法精確地測出波長。現在，一群噴射推進實驗室（JPL）及加州理工學院的研究人員，由JPL的戴伊（Peter K. Day）帶領，對外展示一種根據超導技術所製作的偵測器，可以測得單個光子，並定出其波長。更棒的是，這種偵測器似乎很適合做成如同CCD一樣的大型陣列。

這個偵測器的核心位於藍寶石基座上的一層鋁質薄膜。使用標準的光蝕刻技術，就可以將鋁蝕刻成折線式的長條狀。當溫度降到接近?對零度時（低於1度K），鋁會變為超導體。如同振動的音叉，鋁條中的電流會以共振頻率振盪。

為什麼這樣就能偵測到光子？在超導體裏，電子會形成鬆散的束縛電子對，稱為古柏對（Cooper pair）。這些電子對在流動時不受阻力影響，而且它們流動的難易程度會影響鋁條的共振頻率。光子照到鋁條，會打散一些古柏對，減緩超導電流的流速，結果會造成鋁條共振頻率的偏移，並減低共振的強度。光子的波長決定其能量，也決定了打散後的電子對數目，因此會影響共振偏移的程度。加上放大器及其他電路之後，就可以完成偵測的過程。

「JPL─加州理工」小組在一個原型裝置上做實驗，偵測具有放射性的鐵同位素所放出來的X射線光子，這個設計在修改後就可以用來偵測次毫米（微波）到γ射線間的任何波長。其他的設計通常需要用到大量的外接導線，而且每個像素都要有獨立的前級放大器。比較起來，這個「JPL─加州理工」偵測器有一個優點，就是藉著讓每個像素在略為不同的共振頻率下操作，一整個大型陣列的像素可能只需共用一個前級放大器及一根外接導線。

高感度單光子偵測器有廣泛用途，包括次毫米波長到γ射線間的天文觀測、材料的X光分析、單分子的顯微螢光技術，及通訊。藉著偵測電晶體開關時放出的紅外線，它們甚至於可以用來找尋積體電路裏的瑕疵。

不過，在「JPL─加州理工」偵測器加入其他單光子偵測器的行列前，仍有些問題待克服，特別是雜訊的程度較預期來得高。JPL的戴伊說：「這種偵測器的靈敏度就地面上的天文觀測而言已經夠好了，但是如果要用在我們感興趣的太空望遠鏡上，至少得將雜訊降低10倍。在這個新型偵測器得以廣泛使用前，得先找出影響靈敏度的雜訊來源並加以消除。」

【本文原載於Scientific American 2004年1月號】

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