在《物理评论快报》上发表的一项新研究中，来自加州大学圣巴巴拉分校的本·马津教授（Ben Mazin）正在为望远镜和天文台开发精密光学传感器。他和他的团队提高了超导传感器的光谱分辨率，这是他们的一个里程碑，他们的最终目标是：分析系外行星的组成。
论文的第一作者尼古拉斯·佐布里斯特（Nicholas Zobrist）是马津实验室的一名博士生，他说：“我们能够将探测器的光谱分辨率大致提高一倍。这是我们见过的最大的能量分辨率提高，这为我们实现科学目标开辟了一条全新的道路。”
马津实验室使用一种称为MKID的传感器。像手机摄像头中的CMOS传感器这样的大多数光探测器都是基于硅的半导体，它们通过光电效应进行操作：光子撞击传感器，击落一个电子，然后这个过程可以转化为适合微处理器处理的信号，最终生成图像。
MKID使用超导体，其中电流可以无电阻流动，除了零电阻外，这些材料还有其他有用的特性。例如，半导体有一个间隙能量，需要克服这个间隙能量才能将电子击出，而超导体中的相关间隙能量是半导体的1/10000，因此它甚至可以检测到非常微弱的光信号。
更重要的是，一个光子可以从超导体中击落许多电子，而在半导体中只能击落一个电子。通过测量移动电子的数量，MKID实际上可以确定入射光的能量（或波长）。光子的能量，或者说它的光谱，告诉了我们很多关于光子发射源的物理信息。
能量泄漏
研究人员已经达到了一个极限，他们发现能量正从超导体泄漏到制作该设备的蓝宝石晶片中，结果，信号似乎比实际信号弱。
在典型的电子学中，电流是由移动电子携带的。但它们有与周围环境相互作用的趋势，在所谓的电阻中分散和损失能量。在超导体中，两个电子将配对，一个自旋向上，一个自旋向下——库珀对，能够在没有电阻的情况下移动。这种特性使得超导体中的电子移动出现能量泄漏。
“就像是俱乐部里的一对情侣，”马津解释道。“然后他们可以在人群中一起移动，没有任何阻力。然而，其中一个人停下来与沿途的每个人交谈，他们速度被放慢了。”在超导体中，所有的电子都是成对的。“一般情况下，他们都在一起四处走动，形影不离，很少与其他情侣互动。”
“但光子击中传感器就像有人进来，把饮料洒在其中一个人身上，这会导致他们分开，导致一方绊倒其他情侣，并造成骚乱。”即MKID测量的移动电子级联。有时这种情况发生在舞池的边缘，被冒犯的一方跌跌撞撞地走出俱乐部，没有撞到其他任何人。对其他舞者来说很好，但对科学家来说不是。如果这种情况发生在MKID中，那么光信号将看起来比实际弱。
“把他们都围起来”
研究人员发现，在超导传感器和基板之间放置一层薄薄的金属铟，能大大减少了传感器的能量泄漏。铟基本上就像围着舞池的栅栏，把舞者全都留在舞池里。
他们之所以选择铟，是因为它在MKID工作的温度下也是一种超导体，如果相邻的超导体很薄，它们往往会相互配合。不过，这种金属确实带来了挑战，铟比铅软，所以有结块的倾向，很难维持又薄又均匀的状态。
但他们的努力得到了回报，研究报告称，该技术将波长测量不确定度从10%降低到5%。使用该系统，可以测量到50纳米的光子精度，在此前最高只能达到1000纳米。“这对我们所能做的科学有着真正的意义，”马津说，“因为我们可以更好地解析我们正在观察的物体的光谱。”
不同的物体能发射具有特定光谱（或波长）的光子，不同的分子吸收不同波长的光子。利用这种光，科学家可以使用光谱学来确定附近和整个可见宇宙中物体的组成。研究人员对将这些探测器应用于系外行星科学特别感兴趣。
此前，科学家只能对系外行星的一小部分进行光谱学研究。而且被观察的行星需要在其恒星和地球之间穿过，而且它必须有一层厚厚的大气层，以便有足够的光线穿过它，天文学家才能对其进行观察。有了更好的MKID，科学家可以观测行星表面反射的光，而不是仅通过其狭窄的大气层传输的光。凭借下一代30米望远镜的能力，这将很快成为可能。
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