一種納米級超低噪音微測輻射熱計

測輻射熱計是一種通過測量電磁輻射的熱效應(yīng)來測量入射電磁輻射功率的傳感器，它一直是天文學(xué)、消費類設(shè)備以及熱敏相機等安防應(yīng)用中的主力軍。但是，如同所有傳感器一樣，為了驅(qū)動新的應(yīng)用，工程師們一直在尋找使測輻射熱計體積更小、靈敏度更好和響應(yīng)更快的方法。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，芬蘭阿爾托大學(xué)（Aalto University）的研究人員現(xiàn)已推出一種納米級微測輻射熱計，他們聲稱它比其它低噪聲測輻射熱計快十倍，本底噪聲低十倍，并且尺寸小于10 μm（doi：10.1038 / s42005-019-0225-6）。該研究小組表示，該器件能夠探測的熱能變化低至0.3 ev，而熱時間常數(shù)僅為30 μs。此外，通過一定的設(shè)計改進，還可以進一步提高響應(yīng)速度。研究人員認為它可以在最前沿的應(yīng)用中找到用武之地，例如檢測單個太赫茲光子，以及讀取超導(dǎo)量子計算機中的量子位（qubit）值。

納米級微測輻射熱計的偽彩色圖像，作為對比，左下角的黑條是曼尼羅尼絲菌的大?。s1.3 μm）。

溫度影響

微測輻射熱計利用了某些材料中電阻的溫度依賴性。當(dāng)電磁輻射與目標(biāo)材料相互作用時，入射功率會無限地提高材料溫度；這反過來會改變材料的電阻，該電阻變化與輻射功率相關(guān)，且可以被讀出。讀出速度取決于微測輻射熱計的熱時間常數(shù)，即設(shè)備加熱到足以提供可靠讀出所需要的時間。時間常數(shù)又取決于傳感器材料的熱容量以及探測器的幾何形狀和設(shè)計。

為了創(chuàng)建更好的模型，這支由阿爾托大學(xué)Mikko M?tt?nen領(lǐng)導(dǎo)，與芬蘭VTT技術(shù)研究中心以及來自美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究院和加利福尼亞理工學(xué)院的一些科學(xué)家組成的研究團隊，開始著手思考如何使器件小型化的問題。基于三年前M?tt?nen小組發(fā)表的設(shè)計，本研究小組在垂直于納米線的一系列超導(dǎo)鋁島上鋪設(shè)了一條長10 μm、寬200 nm、厚數(shù)十納米的金鈀線。超導(dǎo)體/普通金屬/超導(dǎo)體的第一個結(jié)點產(chǎn)生用于檢測輻射的電阻負載，其他結(jié)點形成一個電感-電容諧振器，用于讀出信號。

這款器件的顯微照片和示意圖。H、P和G是用于信號采集和讀出的電路；JPA是Josephson參數(shù)放大器。

尺寸問題

該論文的主要作者，阿爾托大學(xué)的Roope Kokkoniemi解釋說，將微測輻射熱計做得如此之小，是提高其靈敏度的關(guān)鍵之一。小尺寸輻射探測器的熱容量低，因此，弱輻射也可以提供更強的信號?！贝送?，該團隊還為讀出電路增加了納米級Josephson參數(shù)放大器（JPA），它可以放大讀出的功率并潛在地提高可分辨信號，從而相比之前的器件提高了微測輻射熱計的分辨率。

在關(guān)閉JPA的測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)，它可以測量50 zW/√Hz的噪聲等效功率（NEP），時間常數(shù)為0.6 ms，且通過使可分辨的NEP至80 zW/√Hz可以將時間常數(shù)降低100 s。啟用JPA后，儀器能夠在30 μs內(nèi)分辨出60 zW/√Hz的NEP。該團隊表示，這兩個數(shù)字至少比以前報道的微測輻射熱計好一個數(shù)量級。而且，他們表示這款微測輻射熱計能夠在30 μs內(nèi)獲得低至0.3 zJ的量熱能變化。

量子應(yīng)用

隨著微測輻射熱計穩(wěn)定性和分辨率的不斷提高，研究人員看到了該器件的各種潛在應(yīng)用。例如，它可以在航天器上用于宇宙大爆炸微波背景（CMB）的超靈敏測量；它還可以作為高靈敏太赫茲天線或單光子計數(shù)器的基礎(chǔ)，在天文學(xué)和其他領(lǐng)域?qū)で髲V泛的新型探測器應(yīng)用。

M?tt?nen和他的團隊特別關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域是新興的量子信息技術(shù)。例如，這款新的測輻射熱計可用于監(jiān)控裝有超導(dǎo)量子計算機的超冷低溫恒溫器中的輻射水平，從而更好地屏蔽那些敏感儀器。

從長遠來看，據(jù)M?tt?nen稱，這種新型微測輻射熱計甚至有可能用作超導(dǎo)量子計算機中量子位的讀取設(shè)備。但是，要連續(xù)數(shù)次讀取超導(dǎo)量子計算機中的量子信息而又不使其退化，微測輻射熱計的響應(yīng)速度還必須快大約一百倍。因此，微測輻射熱計的響應(yīng)時間還需要進一步縮短。