2009十大进展04

太赫兹波段具有非常重要的 科学意义和广泛的 应用前景。但长期以来，由于该频段探测器和信号源技术的 缺乏，太赫兹波段仍是一个有待全面研究和利用的 频率窗口。太赫兹波段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，正成为现代天体物理前沿研究领域之一。目前，我国正积极酝酿南极天文大科学工程，太赫兹望远镜是其关键设备之一。另外，太赫兹技术也已列入了空间科学预研项目。基于南极（类空间）和空间应用的 特殊要求，研制小型低功耗超导探测器（接收机）具有特别重要的 意义。

高能隙氮化铌（NbN）超导隧道结能隙频率是广泛应用的 铌的 两倍，其频率上限高达2.8THz。由于具有更高临界转变温度，其工作温度可从液氦温区扩展到10K左右温区，这为研制小型低功耗超导探测器提供了非常有利的 条件。紫金山天文台毫米波亚毫米波技术实验室与日本NiCT神户研究所合作（主要利用该所的 超导隧道结制备条件），成功制备了能隙电压和质量因子高达5.6mV和15的 高质量高能隙全NbN超导隧道结，进而成功研制了0.5THz频段NbN超导混频器，实测接收机噪声温度优于120K（约5倍量子极限）。该NbN超导混频器已应用在POST亚毫米波望远镜上，成功观测到频率为0.46THz的 CO（J=4-3）星 际分子谱线（参见下图），这是国际上首次实现基于NbN超导隧道结探测器的 天文观测，被认为是超导混频技术研究的 一个重要里程碑。近期，在该探测器的 小型化技术研究方面又取得实质进展。

该项研究的 相关成果包括：1）Appl. Phys. Letts. (92, 222504)；2）作为特邀论文发表于IEEE Trans. Appl. Supercond (19, 417, 2009)；3）在2009年亚太地区微波大会APMC（三大国际微波会议之一）上，发表论文获大会评审的 “最佳论文奖”（共两篇）。

POST接收机（左）、NbN超导隧道结混频芯片局部照片（中）和利用NbN超导SIS混频器观测到0.46THz一氧化碳（CO）星 际分子谱线（右）。