超导探测器与太赫兹天文应用

太赫兹频段(0.1—10 THz)占有宇宙空间近一半的光子能量，特别适合观测早期遥远天体、正在形成冷暗天体，以及被尘埃遮掩天体，且具有非常丰富的分子、原子及离子谱线，是其他频段不可替代的宇宙观测窗口。近四十年来，低温超导探测器技术得到快速发展，在天文学领域率先实现应用并取得系列有显著影响的研究成果，如黑洞成像、原行星盘精细结构观测以及近邻宇宙水分子刻画和宇宙最先诞生的电离氢化氦离子探测等。文章将主要介绍4种国际主流太赫兹超导探测器(即超导隧道结(SIS)混频器、超导热电子(HEB)混频器、超导相变边缘(TES)探测器和超导动态电感(KID)探测器)的研究进展、应用突破和未来发展趋势。     

中国超导电子学研究及应用进展

超导体的发现距今已有近110年了,高温超导体的发现也已经有30多年了.超导材料的电子学应用在最近一二十年取得了突破性进展.高温超导微波器件显示了比传统微波器件更优越的性能,已经在移动通信、雷达和一些特殊通信系统中取得了规模化应用.超导量子干涉器件以其磁场和电流测量的超高灵敏度,成为地质勘探、磁共振成像和生物磁成像等领域不可替代的手段.包括超导隧道结混频器、超导热电子混频器、超导转变沿探测器及超导单光子探测器等在内的超导传感器/探测器可以探测全波段的电磁波及各种宇宙辐射,具有接近量子极限的超高灵敏度,在地球物理、天体物理、量子信息技术、材料科学及生物医学等众多前沿领域发挥越来越重要的作用.超导参量放大器已经成为实现超导量子计算的关键器件.超导集成电路技术已被列入国际器件与系统技术路线图,成为后摩尔时代微电子领域的前沿阵地之一.在计量科学中,超导约瑟夫森效应及约瑟夫森结阵器件被广泛应用于量子电压基准和国际单位制基本单位的重新定义中.在当前的量子信息技术热潮中,超导电子学扮演重要角色,同时量子热潮也大力推动了超导电子学的发展.本文主要对近几年我国超导电子学研究和应用的现状与进展进行概括总结.     

高温超导YBaCuO薄膜的不稳定性实验

一、引言 高温氧化物超导材料一出现,科学家们就注意将它制成薄膜材料、以此迈向实用化。利用高温氧化物超导材料制造超导量子干涉探测器,高速微芯片,红外探测器、高温超导晶体管等是各国科学家应用开发的重要领域,其他如超导混频器、超导天线等可用于通信、军事等领域具有广阔的前途。已经发展了许多方法制备高温超导薄膜,诸如DC或RF磁控溅射、     

面向窄线宽超导纳米线单光子探测器的电子束曝光技术

超导纳米线单光子探测器是新型超导电子器件,因其具有高探测效率、低暗计数及低时间抖动等优势,在量子信息、激光雷达等方面已得到广泛的应用.目前主流超导纳米线单光子探测器主要工作在1.5_m 以下的可见光和近红外波段.中红外波长的红外探测技术在基础科学、医学、日常生活以及军事等广泛领域发挥着重要作用,中红外单光子探测器可以使得中红外波段探测技术进入量子极限灵敏度.根据超导纳米线单光子探测器探测机理,超窄线宽的纳米线条可以提升超导纳米线单光子探测器在中红外波长的灵敏度.电子束曝光技术是目前实现超导纳米线单光子探测器纳米线线条加工的主流技术,电子束抗蚀剂种类繁多,面向超窄线宽超导纳米线单光子探测器器件的制备需求,对两款抗蚀剂进行性能测试表征,和窄纳米线制备尝试.根据负性电子束抗蚀剂MaN-2401在制备窄线宽时的显著优点,优化工艺,利用其成功制备出50nm 线宽超导纳米线单光子探测器并成功实现了2000nm 的单光子响应.     

超导单光子探测器件直流特性研究

超导单光子探测技术是基于超薄超导薄膜的非平衡态热电子效应的一种新型的单光子探测方法。超导单光子探测器(SNSPD)的计数率可达到GHz,时间抖动小于100ps,因而在未来量子通信系统中有着广阔的应用前景。介绍了NbN超导单光子探测器件的工作原理和器件超导性能测试系统;测试了超导单光子探测器件的电阻-温度、电流-电压等特性。并对测试结果进行了分析和讨论。     

超高灵敏度太赫兹超导探测技术发展

太赫兹波段占有宇宙微波背景(CMB)辐射以后宇宙空间近一半的光子能量,该波段在天文学研究中具有不可替代的作用,因此太赫兹天文学的研究,具有极其重要的科学意义。本文系统介绍了基于超高灵敏度太赫兹超导探测技术的太赫兹相干探测器发展状况,包括超导隧道结混频器(SIS)和超导热电子混频器(HEB),以及以超导动态电感探测器(MKIDs)和超导相变边缘探测器(TES)为代表的非相干探测器的研究。在此基础上,展望了该领域未来发展趋势,对我国太赫兹天文探测技术的发展具有一定的参考意义。     

太赫兹半导体探测器研究进展

太赫兹（THz）探测器是THz技术应用的关键器件之一．基于半导体的全固态THz量子阱探测器（THzQWIP）具有探测响应速度快、制作工艺成熟、体积小和易集成等优点．文章简要介绍了THz探测器的分类和特点，重点介绍了THzQWIP的工作原理和研究进展．     

圆环孔阵列超材料对热释电太赫兹探测器性能影响关系研究

本文提出了新的基于圆环孔阵列超材料的钽酸锂热释电太赫兹探测器,以提高0.1—1 THz频段太赫兹波探测性能.仿真分析了内外径、周期、厚度等特征参数对圆环孔阵列超材料太赫兹波透射带宽及透射率的定量影响关系,阐明了圆环孔阵列超材料与热释电探测器的不同结合方式对探测器的带宽及噪声等效功率的作用机理;制备了两种圆环孔阵列超材料钽酸锂热释电太赫兹探测器;测试了圆环孔阵列超材料的透射特性和两类热释电探测器的噪声等效功率.结果表明,所制备的圆环孔阵列超材料在0.25—0.65 THz频段透射率大于40%,实现了带通滤波.当圆孔阵列超材料与热释电探测器保持足够间距时,在0.315 THz点频其噪声等效功率为11.29μW/Hz^0.5,是带通波段外0.1 THz噪声等效功率的6.3%,实现了带通探测;当圆环孔阵列超材料与热释电探测器贴合时,在0.315 THz点频其噪声等效功率为4.64μW/Hz^0.5,是无圆环孔阵列超材料探测器噪声等效功率的29.4%,实现了窄带探测.上述结论可用于生物成像、大分子探测等领域中特定太赫兹波段的带通与窄带探测.     

超导太赫兹天线耦合微测辐射热检测器

超导太赫兹天线耦合微测辐射热检测器具备探测频段宽、响应速度快、灵敏度高、易于阵列化等特点因而具备广阔的应用前景.本文的主要工作是设计并微纳加工出基于氮化铌薄膜的超导器件,针对所制备器件的关键参数进行了表征.测试结果显示,当浴冷温度为4K 时,器件响应时间为4μs,噪声等效功率达到30fW/Hz0.5.基于所制备的器件进行了陶瓷刀被动扫描成像实验并取得了良好的成像效果     

500GHz超导SIS混频器的设计

超导SIS(Superconductor-Insulator-Superconductor)混频技术是新兴的低噪声检测技术,其卓越的低噪声性能使其成为太赫兹波段理想的接收技术之一.如何提高太赫兹波和SIS超导结之间的信号耦合是设计超导SIS混频器的一个关键问题.本文依据准光耦合技术,研究了两种改善两者间信号的耦合方法:一是设计工作于500GHz波段的对数周期天线,二是设计微带阻抗变换器以实现对数周期天线和SIS超导结之间的阻抗匹配.     

平面天线在场效应晶体管太赫兹探测器中的应用

为了提高场效应晶体管太赫兹探测器的响应度并降低噪声等效功率,需要对探测器集成平面天线的结构进行合理设计与优化,本文对集成平面天线结构的场效应晶体管太赫兹探测器的研究进行了深入调研。首先,对场效应晶体管太赫兹探测器的工作原理进行了分析,介绍了集成平面天线如何解决耦合太赫兹波效率低的问题。然后,介绍了一些常用的平面天线结构,包括偶极子天线、贴片天线、缝隙天线、grating-gate和其他类型的结构,比较了各种天线的性能以及引入后对太赫兹探测器响应度的影响。通过对比不同天线结构的探测器响应度和噪声等效功率等参数指标,发现:采用平面天线结构之后,场效应晶体管太赫兹探测器的响应度有了大幅度的提升,各种类型的天线对探测器响应度都有不同程度的提升。本文着重介绍了几种集成于场效应晶体管的平面天线结构,包括各种天线的性能和研究进展,最后分析了场效应晶体管太赫兹探测器存在的问题和发展趋势。     

太赫兹超材料生物传感器的应用研究进展

太赫兹（THz）波,是指频率范围在0.1～10 THz的电磁波,在电磁波谱中处于红外与微波之间。太赫兹波的光子能量相对于可见光更低,1 THz对应的能量大约只有4.14 meV,意味着这将大大减少对生物体内组织器官的辐射而引起的伤害,不会对生物分子产生电离。因此,该波段在基础科学、人体安检、危险品检测、高速通信和医学成像等领域具有重要的潜在应用价值。但在医药和生物探测的应用中,通常需要检测微量的分析物,这就需要更高的灵敏度和检测的准确度。但是现存的检测方法受到太赫兹波强度检测可靠性不高的影响。基于超材料的生物传感可以通过增强局域电磁谐振,实现亚波长分辨,大大提高了传感器的分辨率与灵敏度,引起了人们的广泛关注。超材料是一种人工设计的周期性结构,通过合理设计可以增强局域电磁谐振响应,实现亚波长分辨,大大提高传感器的分辨率与灵敏度。太赫兹超材料传感器为生物传感领域提供了一种新的检测方法,具有灵敏度高、响应速度快、无标记检测等优点。随着微纳加工技术的快速发展,制作超材料太赫兹传感器的成本不断降低,从而在生物医学领域具有非常大的潜在应用价值。基于超材料的太赫兹传感器的研究已成为目前一个非常热门的国际前沿方向。但是关于太赫兹超材料传感器的最新研究进展未见报道,为此通过大量搜集并整理相关资料,综述了太赫兹超材料传感器在各种生物探测场景中的最新应用,分别从医学诊断、食品安全、农药检测等方面展开介绍。最后,对太赫兹超材料在生物传感器的发展和应用前景进行了总结和展望。该研究将为人们充分掌握太赫兹超材料生物传感器的最新应用进展提供重要参考,同时为太赫兹超材料传感器的发展和应用提供方向性的指导。     

THz radiation sensors

In the paper, issues associated with the development and exploitation of terahertz (THz) radiation detectors are discussed. The paper is written for those readers who desire an analysis of the latest developments in different type of THz radiation sensors (detectors), which play an increasing role in different areas of human activity (e.g., security, biological, drugs and explosions detection, imaging, astronomy applications, etc.). The basic physical phenomena and the recent progress in both direct and heterodyne detectors are discussed. More details concern Schottky barrier diodes, pair braking detectors, hot electron mixers, and field-effect transistor detectors. Also the operational conditions of THz detectors and their upper performance limits are discussed.     

On‐chip THz spectrometer for bunch compression fingerprinting at fourth‐generation light sources

The layout of an integrated millimetre‐scale on‐chip THz spectrometer is presented and its peformance demonstrated. The device is based on eight Schottky‐diode detectors which are combined with narrowband THz antennas, thereby enabling the simultaneous detection of eight frequencies in the THz range on one chip. The size of the active detector area matches the focal spot size of superradiant THz radiation utilized in bunch compression monitors of modern linear electron accelerators. The 3 dB bandwidth of the on‐chip Schottky‐diode detectors is less than 10% of the center frequency and allows pulse‐resolved detection at up to 5 GHz repetition rates. The performance of a first prototype device is demonstrated at a repetition rate of 100 kHz at the quasi‐cw SRF linear accelerator ELBE operated with electron bunch charges between a few pC and 100 pC.     

超高灵敏度太赫兹超导探测器

太赫兹(THz)波段一般定义为0.1–10 THz的频率区间, 对应波长范围3 mm–30 μm, 覆盖短毫米波至亚毫米波段(远红外). 尽管人们早已认识到太赫兹波段具有非常重要的科学意义和广泛的应用前景, 但该波段仍然是一个有待全面研究和开发的电磁频率窗口. 因此, 太赫兹波段的天文观测在天体物理及宇宙学研究中具有不可替代的作用, 对于理解宇宙状态和演化具有非常重要的意义. 具有超高灵敏度的太赫兹超导探测器, 已经成为太赫兹波段观测的主要手段. 本文主要阐述了太赫兹超导探测器的基本类型和工作原理, 以及中国科学院紫金山天文台在该领域的主要研究成果和进展.     

NOVEL TERAHERTZ PHOTOCONDUCTIVE ANTENNAS

The photoconductive (PC) antenna is a key device for the recent terahertz (THz) photonics based on laser-pumped generation and detection of THz radiation. In this paper we report on two new types of PC antennas: the Schottky PC antenna and the multi-contacts PC antenna. The former one is able to detect THz radiation intensity without the time-delay scan and useful for applications where spectroscopic information is not important, such as the THz intensity imaging. The latter one is useful for the polarization sensitive THz spectroscopy, such as the THz ellipsometry. The characteristic features of these new types of PC antennas are studied by using a THz time-domain spectroscopy system.     

Field effect transistors for terahertz detection - silicon versus III–V material issue

Resonant frequencies of the two-dimensional plasma in FETs reach the THz range for nanometer transistor channels. Non-linear properties of the electron plasma are responsible for detection of THz radiation with FETs. Resonant excitation of plasma waves with sub-THz and THz radiation was demonstrated for short gate transistors at cryogenic temperatures. At room temperature, plasma oscillations are usually over-damped, but the FETs can still operate as efficient broadband THz detectors. The paper presents the main theoretical and experimental results on detection with FETs stressing their possible THz imaging applications. We discuss advantages and disadvantages of application of III–V GaAs and GaN HEMTs and silicon MOSFETs.     

TERA-MIR radiation: materials,generation, detection and applications

This special edition is dedicated to original papers covering topics with the areas of interest of COST ACTION MP1204 whose main objective is to advance novel materials, concepts and device designs for generating and detecting THz (0.3–10 THz) and Mid Infrared (10–100 THz) radiation using semiconductor, superconductor, metamaterials and lasers and to beneficially exploit their common aspects within a synergetic approach. The results achieved benefit from the unique networking and capacity-building capabilities provided by the COST framework to unify these two spectral domains from their common aspects of sources, detectors, materials and applications. We are building a platform to investigate interdisciplinary topics in Physics, Electrical Engineering and Technology, Applied Chemistry, Materials Sciences and Biology and Radio Astronomy. In this sense THz and MIR are considered jointly, the driving force for both regimes being applications. The main emphasis of the research presented here is on new fundamental material properties, concepts and device designs that are likely to open the way to new products or to the exploitation of new technologies in the fields of sensing, healthcare, biology, and industrial applications. End users are: research centres, academic, well-established and start-up companies and hospitals. The strong coupling of THz radiation and material excitations has potential to improve the quantum efficiency of THz devices.     

Investigation of transmission resonances on the one-dimensional metallic cylindrical gratings in THz frequency range

In the experiments of THz wave transmitting through the metallic cylindrical gratings fabricated by sub-wavelength brass wires, this paper reports that the discrepancy in the sharp resonances occurred as the grating perpendicular or parallel to the electric vector are observed. A simulation based on the finite difference time domain (FDTD) indicated that the enhanced transmission through the grating is attributed to the combined effects of surface plasmons and cavity modes in the perpendicular condition, while the cavity modes dominate the resonant transmission under the other conditions. Additional experimental data and calculated results show that ～1 enhanced coupling efficiency can be realized in some THz frequency, which could be applied to the design and improvement of various optoelectronic devices, or detection of biological molecule and powder samples, etc.     

太赫兹液晶材料与器件研究进展

液晶是一种性能优异的可调控光电功能材料,基于液晶的太赫兹器件有着广泛的应用前景,但高性能太赫兹功能器件的研发仍处于初级阶段.本文综述了太赫兹领域液晶材料与器件的研究现状,探讨了液晶技术与太赫兹技术相结合的发展趋势.