太赫茲技術助力空間技術仰望“芯”空

    他們，研制了我國第一臺毫米波天文超導接收機；他們，在國際上首次實現高能隙氮化鈮超導隧道結的天文觀測；他們，研制了目前世界上最前沿的超導熱電子混頻器；他們，實現了我國首例千像元太赫茲超導成像陣列芯片……

    他們是中國科學院紫金山天文臺太赫茲超導空間探測技術研究青年團隊（以下簡稱太赫茲團隊），多年來專注國際前沿太赫茲超導探測技術和空間天文應用研究，目前正在承擔中國空間站巡天望遠鏡“高靈敏度太赫茲探測模塊”研制任務，有望實現我國太赫茲超導探測技術在空間應用“零”的突破。

    近日，這支年輕的團隊被授予“中國科學院青年五四獎章集體”稱號。

仰望星空 探索未知

    仰望星空是人類探索未知的本能，而宇宙的綺麗無法靠想象感知，只有“看見”才能了解。

    “太赫茲天文探測能探索宇宙最久遠的過去，為我們解釋現代天文學中最重要的前沿問題提供先端手段。”太赫茲團隊負責人、紫金山天文臺研究員李婧告訴《中國科學報》。

    在電磁波譜中，太赫茲波段包含部分毫米波、全部亞毫米波和部分遠紅外，其波長從3毫米到30微米，頻率覆蓋0.1～10太赫茲（太，T=1012）。太赫茲位于微波和紅外之間，其研究手段也處于電子學向光子學過渡的區域，具有指紋性、穿透性和安全性等重要特性。

    關于指紋性，李婧解釋道，物質的晶格振動和分子轉動等引起的能級躍遷都對應在太赫茲譜段，而不同物質的光譜位置、強度、形狀均有差異，具有指紋般的唯一性，常被稱作為太赫茲“指紋譜”。

    不同于X射線對人體可能存在傷害，由于水對太赫茲具有強烈的吸收，因此太赫茲不會對物體尤其是生物組織產生有害的電離反應。

    李婧介紹，當前，太赫茲超導探測技術可分為相干探測和非相干探測兩大類。其中，太赫茲相干探測器可以同時探測信號的幅度和相位信息，主要應用于高頻率分辨率的分子和原子譜線觀測，以及具有高空間分辨率的天線干涉陣列；太赫茲非相干探測器則只能探測信號的幅度信息，而不獲取其相位信息，主要應用于連續譜成像觀測和寬頻帶中低分辨率譜線觀測。

    “成像還是光譜？天文學家都要。”李婧指出，根據科學目標的不同，天文學家對觀測技術的需求也不盡相同：有時會需要大天區的多色成像，有時也需要高頻率分辨率的譜線觀測。

堅守初“芯” 攻堅克難

    據了解，地球大氣層對太赫茲信號的強烈吸收一定程度上制約了太赫茲地面觀測的能力，為了讓中國在該領域站在國際前沿，將觀測平臺從地面移到太空幾乎是必經之路。

    李婧向《中國科學報》介紹，太赫茲探測技術的核心是“超導探測器”，是人類關于星空夢想的基石，更是重要的關鍵核心技術。

    幾十年來，從薄膜生長，到芯片制備，再到接收機系統集成與表征，太赫茲團隊堅持自主的研發與研制路線，突破重重技術關卡。

    李婧還記得當年團隊在開展研究之初，一些發達國家已經在超導芯片的研制方面具備明顯優勢。“雖然我們實驗室有超導探測技術研究方向的國際知名專家，但工作中仍然會遇到很多困難，比如：缺乏配套的超導芯片制備平臺和實驗儀器條件等。”

    隨著實驗條件的逐步改善，太赫茲團隊堅守初“芯”，攻堅克難，通過持續潛心研究，解決了技術瓶頸背后的基礎物理問題。

    “目前，我們已經成為國際上少有的完全掌握四種太赫茲天文主流探測技術的團隊。”李婧說，“有了這些自主的關鍵核心技術支撐，我國的太赫茲天文發展之路上，就沒有了關于探測器的后顧之憂，更不會受制于人。”

    現在，太赫茲團隊承擔“高靈敏度太赫茲探測模塊”研制任務，其技術指標達國際前沿。但李婧也指出：“作為我國首次空間太赫茲超導探測技術應用，其難度和挑戰可想而知。”

綻放芳華 無悔青春

    這些年來，在中國科學院院士史生才的指導下，太赫茲團隊迅速成長，曾獲江蘇青年五四獎章集體，其科研成果獲國家科技進步獎二等獎、中國電子學會科技進步二等獎等獎勵。

    在太赫茲團隊成員25人中，李婧是僅有的3名女性之一。她還記得自己2002年來到紫金山天文臺讀博士研究生，也是在那時首次接觸到太赫茲超導空間探測技術研究。

    “當時感覺這項工作不太適合女生，不僅需要經常拆裝和搭建很重的低溫實驗儀器，有時還需要出野外。”這是李婧對該研究的第一印象。

    但她沒有知難而退，李婧帶領太赫茲團隊經常身裹實驗服，“泡”在無塵實驗室里，一待就是數個小時。與她為伴的是設備運行的嗡嗡轟鳴聲、是化學試劑散發的刺鼻氣味、是口干舌燥卻不能飲水的堅持與隱忍。

    惟其艱難，方顯勇毅；惟其磨礪，始得玉成。歷經挫折與荊棘，太赫茲團隊終于研制出高性能的氮化鈮超導隧道結混頻器芯片，將我國太赫茲高能隙低溫超導探測的水平推進到國際前列。

    “高靈敏度超導探測器的測試，經常會收到輕微振動的干擾。”李婧說，為排除周邊環境引起地面振動給實驗結果帶來的影響，我們經常選擇凌晨做實驗，白天進行數據分析。”

    為了能選出適合太赫茲天文觀測的優良臺址，太赫茲團隊成員無數次登上5100米以上的高海拔地區，頂著強風、忍著高反，他們在零下幾十度的環境中調試設備，一干就是十幾天。這些堅守的背后，是家里牙牙學語、蹣跚學步的孩子，是年近高齡、甚至身纏重病的老人。