Sheldon
漫画 | 这种能让你在太空上网的新仪器,居然靠的是电子搞基! 精选
2018-1-19 11:16
阅读:4557
标签:超导, 物理, 科学漫画


(这是Sheldon的第70篇漫画,所有图片大约3.3MB。)



在昏暗的低温实验室中,Sheldon正打算把-269°C(大约绝对零度之上4K)的液氦倒在山小魈的脚下。





一、低温超导是怎么回事?


中学的时候,我们都学过一个电学定律,叫作欧姆定律。它的大意是说,每个导体都有电阻。为了让导体中的电荷(比如电子)流动,形成电流,就得在两端加上电压


电压会把电子往前踹,导体的电阻会死死怼住电子的去路。电压踹一脚,电子就往前挪一挪,形成电流。电压越高,电阻越小,电流就越大。如果突然撤去导体两端的电压,电子就会被电阻怼在半路,停止定向流动,电流也就消失了。





中学老师没有教过的是,欧姆定律只有在一定条件下是适用的。当我们把温度降低到绝对零度附近时,欧姆定律就突然用不上了,因为这时候量子力学会突然抽风,导致电阻完全消失了


原来,在温度极低时,两个带负电的电子中间会因为量子力学的作用,突然产生一种吸引力。于是,两个同性电子惺惺相惜情不自禁,出则同舆入则同席。它们两个两个地配成一对,叫作库珀对





于是,导体中的大量电子在低温时会两两结合,形成大波大波的库珀对。电阻一看哇靠,车速这么快肯定是老司机,不敢惹不敢惹!库珀对形成的电流无人敢惹,想怎么飙车就怎么飙车,于是电阻消失了,超导就产生了!





二、超导体为什么会排斥磁铁?


为什么超导体会把磁铁排斥得悬浮起来呢?根据电磁感应定律,磁铁的磁场会让超导体的表面产生一股超导电流。这股超导电流也会产生磁场,它的大小和方向刚好和外部的磁铁相反。于是,超导体就好比变成了一面“磁铁的镜子”,在某个地方产生了一块虚拟的“镜像磁铁”






三、低温超导为什么怕光子?





虽然电子搞基形成了库珀对,但这种结合其实并不牢靠,它们稍微受一点儿干扰就会散伙儿。比如,温度高了会散伙儿,磁场太强会散伙儿,就连超导电流密度太大也会散伙儿





万万没想到,光子照在低温超导金属上,也会让库珀对散伙。




你想想看,激光一照过来,电子就不搞基了,超导超不成了,电阻又重新出现了,抵抗磁铁的电流被电阻一怼就流不动了。于是,抵抗磁场的力量消失了,山小魈和磁铁就掉下来了。






四、用低温超导探测单个光子





道理很简单。如果蚀刻出一条窄窄的金属薄片,用液氦把它冷冻成低温超导态,然后在其中预先注入一股超导电流,它就会对单个光子超级敏感。





当一个外来光子照在超导体上时,它的能量至少会拆散几百个库珀对,产生几百个自由电子。





由于金属薄片很窄,飙车的车道本来就不多。光子产生的自由电子会占用大量道路,导致剩下的库珀对纷纷涌入其他车道,结果造成其他车道发生大堵车。


于是,一个光子照进来,引发一系列连锁反应,硬生生把这片区域的超导态破坏掉了





由于超导金属薄片的温度很低,光子产生的热量很快就耗散了。当道路秩序恢复正常之后,电子又在低温下自发形成了库珀对,老司机们又可以开始飙车了,超导又开始了。于是,超导金属薄片又可以迎接下一个光子了。


在实际测量中,我们不需要管这么多细节。我们只要看到超导金属薄片的电阻突然增大(即电压增大),就知道有一个光子跑进来了。


利用这种原理制造的探测器叫作超导纳米线单光子探测器(superconducting nanowire single photon detector)。






跟以往的单光子探测器相比,这种技术的优点是探测效率高(侧漏少),计数率高(手速快),暗计数低(错误少)


例如,2017年,在科技部重点研发计划“高性能单光子探测技术”、中科院B类先导专项、前沿科学重点研究计划和上海市科委项目的支持下,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室(中国科学院超导电子学卓越创新中心)的尤立星团队用氮化铌薄膜,自主研发了一款在制冷机产生的2.1K的低温下世界最高探测效率的超导纳米线单光子探测器:


在探测量子通信常用的1550 nm红外线光子时,它的系统探测效率最高达到了90%,而且反应非常敏捷,一秒钟可以响应上千万个光子





同时,它产生的错误数据只有每秒10个左右(即暗计数低),相比之下,其他原理设计的单光子探测器动辄每秒几万个。





俗话说,“工欲善其事,必先利其器”。这款新型的超导纳米线单光子探测器就是一款利器。它的性能已经超过了国际上的商用器件, 达到国际一流研究单位器件的性能水平。


于是,尤立星团队和中科大、清华及上海天文台等单位合作,成功将整套系统应用于量子通信,激光测距,单光子成像,量子光源表征等前沿研究。




美指:牛猫

  绘制:赏鉴、阿赫罗

  排版:胡豆

鸣谢:尤立星,李浩

侯昕彤,原蒲升

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参考文献:

1. Zhang, W. J. et al., NbN superconducting nanowire single photon detector with efficiency over 90% at 1550 nm wavelength operational at compact cryocooler temperature, Science China Physics Mechanics & Astronomy 60, 120314 (2017).

2. 尤立星,超导纳米线单光子探测技术进展,《中国科学:信息科学 》44, 370-388 (2014)

3. Natarajan, C. M., Tanner, M. G. & Hadfield, R. H., Superconducting nanowire single-photon detectors: physics and applications, Superconductor Science & Technology 25, 63001-63016 (63016) (2012).

4. Yin, H.-L. et al., Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution Over a 404 km Optical Fiber, Physical Review Letters, 117, 190501 (2016).

5. 张裕恒,《超导物理》,中国科学技术大学出版社。


注:

1. 科学家发现的超导现象可以分为两类,一类叫低温超导,这种超导可以用电子搞基的BCS理论来解释。还有一类叫高温超导,科学家目前还没能完全解释高温超导是怎么产生的。漫画中介绍的超导纳米线单光子探测器用到的是低温超导。

2. 实际应用中超导纳米线单光子探测器采用制冷方法不是直接浸入液氦杜瓦,而是采用以Gifford–McMahon(GM)制冷机为代表的小型制冷机系统,最低制冷温度可以达到2.1K,且相较液氦杜瓦成本更为低廉、便于操作。经过集成后的整个探测系统如图1所示。

图1 尤立星研究员和超导纳米线单光子探测器系统


在超导纳米线单光子探测器中采用的超导薄膜厚度非常薄(~几个纳米),工作温度极低(~2.1K),这样才能做到对单个光子的能量敏感。文章中用低温超导金属盘举例时为了可视化,夸大了厚度。对于很厚的超导体,在温度和磁场不变的情况下,需要远大于单个光子的能量才能破坏超导态。现实生活中超导磁悬浮技术采用的是高温超导体,其超导状态较为稳定,没有那么容易被破坏。


图2 单个超导纳米线单光子探测器实物图



图3 超导纳米线单光子探测器芯片工作示意图

(这个芯片就是装在图2的盒子里面的)


3. 漫画中提到超导纳米线单光子探测器已经用在了很多科研领域。例如,在量子通信中,它可以在地面量子密钥分发的实验中接收单个光子。


在激光测距中,它可以通过精确判定从飞机、太空卫星上反射回来的光子所到达的时刻,算出光子往返飞行花了多少时间,从而精确得出飞机、卫星到它的距离。利用相同的原理,它也可以整合到单光子计数系统中,实现单光子成像、荧光寿命测量,荧光寿命光谱等方面的应用。


利用它的暗计数低,死时间短的特点,它还可以用来测试单光子源的品质到底高不高。

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