中研院天文所超导元件实验室简介--追求量子极限的侦测能力--.PDF

中研院天文所超導元件實驗室簡介 -- 追求量子極限的偵測能力 -- 文/王明杰 一、窺探宇宙的眼睛 個分支：光電子效應與傳統交流電壓電流效應。高能 量光子的偵測經常使用光電子效應，利用電子吸收光 現今宇宙中，有著不同演化時期的星系，各個時 子能量後，躍遷到傳導帶，變成導電電子 ，經由偵測 期的能量不同 ，會釋放出特定頻譜的電磁波，藉由測 這些光電子所形成的電流或電壓，達到測量光子強度 量電磁波頻譜可以了解星系在不同時期的結構，推估 的目的。要達到最有效的轉換效率，在偵測元件的材 星系演化的過程與機制，進而了解宇宙的生與死。人 料之電子躍遷能量，通常與光子的能量相當。目前半 類的眼睛是一種對可見光非常靈敏的偵測器，是人類 導體材料可製作出偵測光子的元件，其量子轉換效率 探索宇宙最原始的工具。十七世紀時，由於光學望遠 接近 1 ，也就說一個光子幾乎可以轉換成一個光電 鏡的發明，人們開始利用輔助工具進行更精密的天文 子。所能偵測到的最低頻率已接近 10 THz(1013Hz) ， 觀測，也漸漸揭開宇宙神秘的面紗。十九世紀末，電 並且已被廣泛運用在天文望遠鏡上。在傳統交流電壓 磁波的發現，瞭解可見光只是電磁波頻譜中非常小的 電流效應技術上(應用於低能量光子偵測) ，一般是利 一部分。在研究各種頻段電磁波的過程中 ，發展出日 用半導體放大器將訊號先放大，再利用偵測器進行訊 益精密的電磁波偵測工具，頻率範圍包含目前已知的 號處理，因為訊號已經放大幾個數量級，對偵測器本 頻段，從高頻的 γ射線到低頻的射頻電磁波。這些 身雜訊的要求不需要很高。然而放大器的放大倍率與 偵測工具被應用在天文望遠鏡上，開啟天文研究的新 本身產生的雜訊比，會隨頻率增加而降低 ，失去放大 世紀。 器應有的功能 ，這類放大器目前最高可工作的頻率可 在電磁波研究的過程中，基於商業價值考量，可 達 100GHz 。更高頻率的訊號，必須利用低雜訊的混 見光與微波頻段投入最多的資源，相關元件的設計與 頻元件，先將訊號頻率轉換到中頻頻率後 ，用半導體 製作技術已經相當完備，各式各樣的元件幾乎都有商 放大器放大該中頻訊號，最後進行訊號處理。低雜訊 業化產品。然而對科學研究而言，希望能涵蓋所有的 的混頻元件有著非線性電壓-電流關係的特性，非線性 14 9 程度越大，元件性能越好。這類元件常利用電子穿隧 頻段，在可見光(5×10 Hz)與微波(10 Hz)之間的寬廣 頻帶，自然是研究的重點。在天文科學上 ，這個頻段 效應來增加非線性度，主要的結構有MIM(金屬-絕緣 對應於星系誕生的階段。星際分子逐漸聚集，溫度從 體-金屬) 、Schottky diode 、SIN(超導體-絕緣體-