漫畫 | 這種能讓你在太空上網的新儀器，居然靠的是電子搞基！

01-27

（這是Sheldon的第70篇漫畫，所有圖片大約3.3MB。）

在昏暗的低溫實驗室中，Sheldon正打算把-269°C（大約絕對零度之上4K）的液氦倒在山小魈的腳下。

一、低溫超導是怎麼回事？

中學的時候，我們都學過一個電學定律，叫作歐姆定律。它的大意是說，每個導體都有電阻。為了讓導體中的電荷（比如電子）流動，形成電流，就得在兩端加上電壓。

電壓會把電子往前踹，導體的電阻會死死懟住電子的去路。電壓踹一腳，電子就往前挪一挪，形成電流。電壓越高，電阻越小，電流就越大。如果突然撤去導體兩端的電壓，電子就會被電阻懟在半路，停止定向流動，電流也就消失了。

中學老師沒有教過的是，歐姆定律只有在一定條件下是適用的。當我們把溫度降低到絕對零度附近時，歐姆定律就突然用不上了，因為這時候量子力學會突然抽風，導致電阻完全消失了！

原來，在溫度極低時，兩個帶負電的電子中間會因為量子力學的作用，突然產生一種吸引力。於是，兩個同性電子惺惺相惜情不自禁，出則同輿入則同席。它們兩個兩個地配成一對，叫作庫珀對！

於是，導體中的大量電子在低溫時會兩兩結合，形成大波大波的庫珀對。電阻一看哇靠，車速這麼快肯定是老司機，不敢惹不敢惹！庫珀對形成的電流無人敢惹，想怎麼飆車就怎麼飆車，於是電阻消失了，超導就產生了！

二、超導體為什麼會排斥磁鐵？

為什麼超導體會把磁鐵排斥得懸浮起來呢？根據電磁感應定律，磁鐵的磁場會讓超導體的表面產生一股超導電流。這股超導電流也會產生磁場，它的大小和方向剛好和外部的磁鐵相反。於是，超導體就好比變成了一面「磁鐵的鏡子」，在某個地方產生了一塊虛擬的「鏡像磁鐵」。

三、低溫超導為什麼怕光子？

雖然電子搞基形成了庫珀對，但這種結合其實並不牢靠，它們稍微受一點兒干擾就會散夥兒。比如，溫度高了會散夥兒，磁場太強會散夥兒，就連超導電流密度太大也會散夥兒。

萬萬沒想到，光子照在低溫超導金屬上，也會讓庫珀對散夥。

你想想看，激光一照過來，電子就不搞基了，超導超不成了，電阻又重新出現了，抵抗磁鐵的電流被電阻一懟就流不動了。於是，抵抗磁場的力量消失了，山小魈和磁鐵就掉下來了。

四、用低溫超導探測單個光子

道理很簡單。如果蝕刻出一條窄窄的金屬薄片，用液氦把它冷凍成低溫超導態，然後在其中預先注入一股超導電流，它就會對單個光子超級敏感。

當一個外來光子照在超導體上時，它的能量至少會拆散幾百個庫珀對，產生幾百個自由電子。

由於金屬薄片很窄，飆車的車道本來就不多。光子產生的自由電子會佔用大量道路，導致剩下的庫珀對紛紛湧入其他車道，結果造成其他車道發生大堵車。

於是，一個光子照進來，引發一系列連鎖反應，硬生生把這片區域的超導態破壞掉了。

由於超導金屬薄片的溫度很低，光子產生的熱量很快就耗散了。當道路秩序恢復正常之後，電子又在低溫下自發形成了庫珀對，老司機們又可以開始飆車了，超導又開始了。於是，超導金屬薄片又可以迎接下一個光子了。

在實際測量中，我們不需要管這麼多細節。我們只要看到超導金屬薄片的電阻突然增大（即電壓增大），就知道有一個光子跑進來了。

利用這種原理製造的探測器叫作超導納米線單光子探測器（superconducting nanowire single photon detector）。

跟以往的單光子探測器相比，這種技術的優點是探測效率高（側漏少），計數率高（手速快），暗計數低（錯誤少）。

例如，2017年，在科技部重點研發計劃「高性能單光子探測技術」、中科院B類先導專項、前沿科學重點研究計劃和上海市科委項目的支持下，中國科學院上海微系統與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室（中國科學院超導電子學卓越創新中心）的尤立星團隊用氮化鈮薄膜，自主研發了一款在制冷機產生的2.1K的低溫下世界最高探測效率的超導納米線單光子探測器:

在探測量子通信常用的1550 nm紅外線光子時，它的系統探測效率最高達到了90%，而且反應非常敏捷，一秒鐘可以響應上千萬個光子。

同時，它產生的錯誤數據只有每秒10個左右（即暗計數低），相比之下，其他原理設計的單光子探測器動輒每秒幾萬個。

俗話說，「工欲善其事，必先利其器」。這款新型的超導納米線單光子探測器就是一款利器。它的性能已經超過了國際上的商用器件, 達到國際一流研究單位器件的性能水平。

於是，尤立星團隊和中科大、清華及上海天文台等單位合作，成功將整套系統應用於量子通信，激光測距，單光子成像，量子光源表徵等前沿研究。

美指：牛貓 | 繪製：賞鑒、阿赫羅 | 排版：胡豆

鳴謝：尤立星，李浩，侯昕彤，原蒲升

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參考文獻：

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，超導納米線單光子探測技術進展，《中國科學:信息科學》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. 張裕恆，《超導物理》，中國科學技術大學出版社。

註：

1. 科學家發現的超導現象可以分為兩類，一類叫低溫超導，這種超導可以用電子搞基的BCS理論來解釋。還有一類叫高溫超導，科學家目前還沒能完全解釋高溫超導是怎麼產生的。漫畫中介紹的超導納米線單光子探測器用到的是低溫超導。

2. 實際應用中超導納米線單光子探測器採用製冷方法不是直接浸入液氦杜瓦，而是採用以Gifford–McMahon（GM）制冷機為代表的小型制冷機系統，最低製冷溫度可以達到2.1K，且相較液氦杜瓦成本更為低廉、便於操作。經過集成後的整個探測系統如圖1所示。

圖1 尤立星研究員和超導納米線單光子探測器系統

在超導納米線單光子探測器中採用的超導薄膜厚度非常薄（~幾個納米），工作溫度極低（~2.1K），這樣才能做到對單個光子的能量敏感。文章中用低溫超導金屬盤舉例時為了可視化，誇大了厚度。對於很厚的超導體，在溫度和磁場不變的情況下，需要遠大於單個光子的能量才能破壞超導態。現實生活中超導磁懸浮技術採用的是高溫超導體，其超導狀態較為穩定，沒有那麼容易被破壞。

圖2 單個超導納米線單光子探測器實物圖

圖3 超導納米線單光子探測器晶元工作示意圖

（這個晶元就是裝在圖2的盒子裡面的）

3. 漫畫中提到超導納米線單光子探測器已經用在了很多科研領域。例如，在量子通信中，它可以在地面量子密鑰分發的實驗中接收單個光子。

在激光測距中，它可以通過精確判定從飛機、太空衛星上反射回來的光子所到達的時刻，算出光子往返飛行花了多少時間，從而精確得出飛機、衛星到它的距離。利用相同的原理，它也可以整合到單光子計數系統中，實現單光子成像、熒光壽命測量，熒光壽命光譜等方面的應用。

利用它的暗計數低，死時間短的特點，它還可以用來測試單光子源的品質到底高不高。