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在《物理评论快报》上发表的一项新研究中 ， 来自加州大学圣巴巴拉分校的本·马津教授（Ben Mazin）正在为望远镜和天文台开发精密光学传感器 。 他和他的团队提高了超导传感器的光谱分辨率 ， 这是他们的一个里程碑 ， 他们的最终目标是：分析系外行星的组成 。
论文的第一作者尼古拉斯·佐布里斯特（NicholasZobrist）是马津实验室的一名博士生 ， 他说：“我们能够将探测器的光谱分辨率大致提高一倍 。 这是我们见过的最大的能量分辨率提高 ， 这为我们实现科学目标开辟了一条全新的道路 。 ”
马津实验室使用一种称为MKID的传感器 。 像手机摄像头中的CMOS传感器这样的大多数光探测器都是基于硅的半导体 ， 它们通过光电效应进行操作：光子撞击传感器 ， 击落一个电子 ， 然后这个过程可以转化为适合微处理器处理的信号 ， 最终生成图像 。
MKID使用超导体 ， 其中电流可以无电阻流动 ， 除了零电阻外 ， 这些材料还有其他有用的特性 。 例如 ， 半导体有一个间隙能量 ， 需要克服这个间隙能量才能将电子击出 ， 而超导体中的相关间隙能量是半导体的1/10000 ， 因此它甚至可以检测到非常微弱的光信号 。
更重要的是 ， 一个光子可以从超导体中击落许多电子 ， 而在半导体中只能击落一个电子 。 通过测量移动电子的数量 ， MKID实际上可以确定入射光的能量（或波长） 。 光子的能量 ， 或者说它的光谱 ， 告诉了我们很多关于光子发射源的物理信息 。
能量泄漏研究人员已经达到了一个极限 ， 他们发现能量正从超导体泄漏到制作该设备的蓝宝石晶片中 ， 结果 ， 信号似乎比实际信号弱 。
在典型的电子学中 ， 电流是由移动电子携带的 。 但它们有与周围环境相互作用的趋势 ， 在所谓的电阻中分散和损失能量 。 在超导体中 ， 两个电子将配对 ， 一个自旋向上 ， 一个自旋向下——库珀对 ， 能够在没有电阻的情况下移动 。 这种特性使得超导体中的电子移动出现能量泄漏 。
“就像是俱乐部里的一对情侣 ， ”马津解释道 。 “然后他们可以在人群中一起移动 ， 没有任何阻力 。 然而 ， 其中一个人停下来与沿途的每个人交谈 ， 他们速度被放慢了 。 ”在超导体中 ， 所有的电子都是成对的 。 “一般情况下 ， 他们都在一起四处走动 ， 形影不离 ， 很少与其他情侣互动 。 ”
“但光子击中传感器就像有人进来 ， 把饮料洒在其中一个人身上 ， 这会导致他们分开 ， 导致一方绊倒其他情侣 ， 并造成骚乱 。 ”即MKID测量的移动电子级联 。 有时这种情况发生在舞池的边缘 ， 被冒犯的一方跌跌撞撞地走出俱乐部 ， 没有撞到其他任何人 。 对其他舞者来说很好 ， 但对科学家来说不是 。 如果这种情况发生在MKID中 ， 那么光信号将看起来比实际弱 。
“把他们都围起来”研究人员发现 ， 在超导传感器和基板之间放置一层薄薄的金属铟 ， 能大大减少了传感器的能量泄漏 。 铟基本上就像围着舞池的栅栏 ， 把舞者全都留在舞池里 。
他们之所以选择铟 ， 是因为它在MKID工作的温度下也是一种超导体 ， 如果相邻的超导体很薄 ， 它们往往会相互配合 。 不过 ， 这种金属确实带来了挑战 ， 铟比铅软 ， 所以有结块的倾向 ， 很难维持又薄又均匀的状态 。
但他们的努力得到了回报 ， 研究报告称 ， 该技术将波长测量不确定度从10%降低到5% 。 使用该系统 ， 可以测量到50纳米的光子精度 ， 在此前最高只能达到1000纳米 。 “这对我们所能做的科学有着真正的意义 ， ”马津说 ， “因为我们可以更好地解析我们正在观察的物体的光谱 。 ”
不同的物体能发射具有特定光谱（或波长）的光子 ， 不同的分子吸收不同波长的光子 。 利用这种光 ， 科学家可以使用光谱学来确定附近和整个可见宇宙中物体的组成 。 研究人员对将这些探测器应用于系外行星科学特别感兴趣 。
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