太赫兹超导探测器技术的发展与展望讲座报告

太赫兹超导探测技术发展与展望讲座报告

2012年5月10日，我有幸地聆听到我校校友紫金山天文台研究员史生才教授发表的关于太赫兹超导探测技术发展与展望的讲座。

史生才教授是“毫米波与亚毫米波实验室”首席科学家，财政部“国外引进杰出人才计划”入选者和国家杰出青年科学基金获得者，曾获2001年江苏省科技进步一等奖（排名第一）；史生才研究员在毫米波和亚毫米波超导低噪声检测技术研究方面有很深的造诣，已取得许多高水平的成果：超导HEB混频技术研究（远红外领域最灵敏的探测技术）是我国的首例，也是国际上首例利用4-K闭环低温制冷系统成功观测到超导HEB混频器件的特性；而600-720GHz超导SIS混频器（毫米波亚毫米波领域最灵敏的探测技术）达到了五倍量子极限的噪声性能，与目前国际前沿研究水平相当，在国际上该领域也有相当的影响。史生才研究员是我国毫米波和亚毫米波天文技术领域学科带头人, 目前正在主持海峡两岸SMA亚毫米波阵合作项目和参与国际合作ALMA项目（本世纪前叶国际上最大规模的天文项目）的总体构想。

他渊博的演讲给我留下了深刻的影响。他开始时主要介绍了太赫兹探测技术的发展概况，简要阐述了太赫兹波的探测方法、主要特点，以及太赫兹超导探测技术在天文学中的应用，尤其在射电望远镜的革新方面，该探测技术起到了关键的作用。利用该项技术可以研究出更灵敏的，分辨率更高的天文望远镜，这种望远镜弥补了普通光学望远镜的诸多缺点。其后，史生才教授又根据自己的科研经历谈论了一下自己在天文学领域的研究以及成果，并综述了国内外在太赫兹波领域的研究进展，对未来的发展与应用进行了乐观的展望。

太赫兹（1 THz＝1012 Hz）技术是20 世纪80 年代末发展起来的一种高新技术，近年来颇受关注，它在基础研究、工业应用、生物医学、军事等领域有相当重要的应用前景，而且随着近代天文学的发展和要求，太赫兹技术在天文学的应用也变得不可或缺。太赫兹辐射在19 世纪已经为人们所认识，但是，由于没有稳定的辐射源和探测器，对于太赫兹谱段的物质特性一直是科学界的“真空地带”。美国贝尔实验室的奥斯顿等人在研究超快半导体现象时，发现了砷化镓光电导探测效应，1982 年有关结果在美国权威杂志《科学》上发表，引发了科学界的广泛关注，成为20 世纪末的热门课题。1 太赫兹（THz）辐射与主要特性THz 辐射（T 射线）通常指的是频率在0.1 THz～10 THz（波长在30 μm～3 mm）范围内的电磁波，其长波段方向与毫米波（亚毫米波）相重合，短波段方向与红外线相重合，属于远红外波段，由于THz 波所处的特殊电磁波谱的位置，它有很多优越的特性，从而具有重大科学意义。主要表现为以下几个方面：1）量子能量和黑体温度很低。由于太赫兹波的光子能量很低，它穿透物质时，不易发生电离，因而可用来进行安全的无损检测。

2）许多物质大分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在THz 波段，所以在THz 波段表现出很强的吸收和谐振。许多爆炸物有“太赫兹指纹”特性，这使得它们能够从衣服中及与其它材料混在一起时被鉴别出来，如毒品的检测等。穿透能力强，THz 波能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质。因此，可用其探测多种低浓度极化气体，适用于环境保护和军事化学侦察等特殊领域。

3）THz 波的时域频谱信噪比很高，这使得THz非常适用于成像应用。可见光、x 射线、电子束、中近红在工业生产等诸多领域广泛应用的主要成像信号源，与

以上的光源相比，太赫兹辐射对于电介质材料具有较强的穿透效果，除了可测量由材料吸收而反映的空间密度分布外，还可通过位相测量得到折射率的空间分布，获得材料的更多信息。因此太赫兹技术在观察某些天体的形成过程中有重要应用。

近几十年，在美国包括常青藤大学在内有数十所大学都在从事THz 的研究工作，特别是美国的一些重要的实验室，如贝尔实验室、LLNL（Lawrence Livermore 国家实验室）、LBNL（Lawrence Berkeley 国家实验室）、SLAC（斯坦福直线加速器中心）、JPL（喷气推进实验室）、BNL（Brookhaven 国家实验室）、NRL（海军研究实验室）、ALS（高级光源国家实验室）、ORNL（橡树岭国家实验室）等都在开展THz 科学技术的研究工作。美国国家基金会（NSF）、国家航天局（NASA）、能源部（DOE）和国立卫生研究院（NIH）等从20 世纪90 年代中期开始对THz 科技研究进行了大规模的投入。英国的Rutherford 国家实验室以及剑桥大学、里兹大学、Strathclyde 大学等十几所大学；德国的KFZ、BESSY、Karlsruhe 大学、Cohn 大学、Hamburg 大学等科研院所和高校，都在积极开展THz 研究工作。欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的多学科参加的大型合作研究项目。在俄国，国家科学院专门设立了一个THz 研究计划，IAP、IGP 及一些大学也都在积极开展THz 研究工作。在亚洲，日本政府于2005 年1 月8 日，公布了日本未来10 年科技战略规划，提出了10 项重大关键技术，将THz 技术列为首位。东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福井大学以及SLLSC、NTTAdvanced Technology Corporation 等公司也都大力开展了THz 的研究与开发工作。此外，韩国的国立首尔大学、浦项科技大学以及新加坡的国立新加坡大学等也都在积极开展THz 方面的研究。可见，在全世界范围内目前已经形成了一个THz技术研究高潮。

在国内，太赫兹研究也已受到了极大的重视。中国科学院的北京物理所和上海微系统与信息技术研究所、上海应用物理研究所、中山大学、首都师范大学物理系等研究机构在太赫兹相关领域开展了工作，并初步建成了太赫兹实验装置。不少博士和硕士研究生都以THz 有关的课题作为前沿的研究选题方向。我国台湾省的台湾大学、台湾清华大学等也积极开展了THz 研究工作，并发表了不少有分量的论文。

在天文领域，低噪声、高灵敏度接收机技术一直是毫米波和亚毫米波射电天文的重大挑战技术之一，超导混频技术用于低噪声、高灵敏度接收机，是80

年代以来，国际上十分重视的热点之一，该项目根据我国的需要，把高新技术的研究与实际应用目标相结合，使我国超导接收机技术迈出坚实一步，该项目研制成功大大改善了我国毫米波射电天文的观测手段。核心技术是包含SIS超导结设计加工技术在内的SIS超导混频技术、4K致冷技术、金属杜瓦、真空技术以及准光子馈电技术。90-115GHz SIS超导接收系统主要由低温致冷系统、超导SIS接收机本体和准光子系统组成,该系统主要性能指标达到国际先进水平。

经过近20 多年来的研究，国际科技界公认，THz科学技术是一个非常重要的交叉前沿领域。由于THz具有很高的空间分辨率和时间分辨率，使得它在成像技术及波谱技术方面具有独特的优势；另一方面，THz的能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X 射线相比，它又有很大的优势。因此，THz 科学技术很可能是新一代IT 产业的基础之一。THz 研究之所以成为热点，也是因为THz 的能量太小，其信息特征非常微弱。技术手段缺乏限制了理论研究的进展，研究上的空白点很多。首先由于THz的辐射源不稳定，没有标准的辐射源；因此，THz