超低噪声纳米级辐射热探测器

测距仪是一种通过测量电磁辐射的热效应来测量入射电磁辐射功率的传感器，它一直是天文传感，消费类设备以及热敏相机等安全应用中的主力军。但是，如同所有传感器一样，为了驱动新的应用，工程师们一直在寻找使辐射热计体积更小，灵敏度更好和响应更快的方法。

芬兰阿尔托大学（Aalto University）的研究人员现已推出一种纳米级辐射热计，他们声称它比其他低噪声辐射热计快十倍，本底噪声低十倍，并且尺寸小于10μm（doi：10.1038 / s42005-019-0225-6）。该小组表示，该设备能够探测热能变化在0.3 ev（1.e-21 J）的范围，而热时间常数仅为30μs，而且，该速度可通过更多的工程来加速。研究人员相信它可以在最先进的应用中使用，例如检测单个太赫兹光子并读取超导量子计算机中的量子位（qubit）值。

纳米热辐射计的伪彩色图像。左下角的黑条是曼尼罗尼丝菌的大小（约1.3μm）。

温度问题

探测计可用于探明某些材料中电阻的温度依赖性。当电磁辐射与目标材料相互作用时，入射功率会无限地提高材料温度；这反过来会改变材料的电阻，该电阻可以被读出且其与辐射功率相关。发生这种情况的速度取决于测辐射热仪的热时间常数，即仪器加热到足以提供可靠读数所需的时间。时间常数又取决于传感器材料的热容量以及探测器的几何形状和设计。

为了创建更好的模型，芬兰团队-由阿尔托（Aalto）的MikkoMöttönenen和芬兰VTT技术研究中心以及来自美国国家标准研究院和加利福尼亚理工学院的一些科学家开始着手思考如何小型化问题。在三年前Möttönen小组发表的设计的基础上，本研究小组在垂直于纳米线的一系列超导铝岛上铺设了一条长10微米，宽200 nm，厚数十纳米的金钯线。超导体/普通金属/超导体的第一个结点产生用于检测辐射的电阻负载，其他结点形成一个电感-电容谐振器，用于读出信号。

尺寸问题

该论文的主要作者，阿尔托大学的Roope Kokkoniemi解释说，使辐射热计如此之小是提高其灵敏度的关键之一。小型辐射探测器的热容量低，因此，弱辐射会获得对比度更强的信号。”该团队还通过添加纳米级Josephson参数放大器（JPA）到读出电路，它可以放大读出的功率并可能增加可分辨信号从而提高了辐射计分辨率。

在关闭JPA的辐射热计的测试中，研究人员发现，它可以测量50 zW /Hz½的噪声等效功率（NEP），时间常数为0.6 ms，且通过使可分辨的NEP至80 zW /Hz½可以将时间常数降低100 s。启用JPA后，仪器能够在30μs内分辨出60 zW /Hz½的NEP。根据该团队，这两个数字至少比以前报道的辐射热计好一个数量级。而且辐射热测量计能够在30μs内获得低至0.3 zJ的量热能变化。

量子应用

随着辐射热计稳定性和分辨率的不断提高，研究人员看到了该设备的各种潜在应用。例如，它可以在航天器上用于大爆炸宇宙微波背景（CMB）的超灵敏测量；它还可以用作灵敏的太赫兹天线或单光子计数器的基础，在天文学和其他领域广泛寻求新的探测器。

Möttönen和他的团队特别关注的应用领域是新兴的量子信息技术。例如，新的辐射热测量仪可用于监控装有超导量子计算机的超冷低温恒温器中的辐射水平，从而更好地屏蔽那些敏感仪器。

从长远来看，新的辐射热计甚至有可能将用作超导量子计算机中量子位的读取设备。但是，要连续数次读取超导量子计算机中的量子信息而又不使其间退化，辐射热计的速度必须快大约一百倍。因此，辐射热计的响应时间将需要进一步缩短。