诺贝尔奖者:滨松眼里的光子技术

从感知宇宙中微子到探测难以捉摸的希格斯玻色子，光子技术正在推动物理学走向新突破。

站在物理学背后的光子技术20世纪80年代初，日本物理学家小柴昌俊正在打造一座开创性的实验设施，以探测来自太阳的中微子。中微子不带电、不可见，是出了名的难以探测。想要一瞥这幽灵般的亚原子粒子，需要精密的设施和灵敏的仪器，而这些在当时并不存在。

大部分中微子在不与地球发生任何相互作用的情况下穿过地球，但是有极少量的中微子会与水产生偶发的相互作用，释放出比光速更快的粒子，并发生切伦科夫辐射，发出微弱蓝光。然而，要探测这一微弱的闪光，需要将探测转换后的电信号放大1000万倍。

“当时最 大的光电倍增管直径是8英寸（20厘米），但我们需要的是一个20英寸（51厘米）的宽视场光电倍增管。”日本滨松集团首席执行官丸野正先生解释说，“小柴教授向滨松集团寻求合作，共同开发这种全新的探测器。这是一项艰巨的挑战，不仅在技术方面，而且所需的光电倍增管数量也很大——大约需要1000个。”

图1 滨松集团研发的20英寸光电倍增管

这只是滨松集团目前闻 名于世的技术开发伙伴关系的其中一例。最 终，小柴教授因这使用了滨松光电倍增管而完成的实验被授予2002年诺贝尔物理学奖。2015年，另一项诺贝尔奖被授予小柴教授的继任者梶田隆章，他利用一个由11000多支滨松光电倍增管组成的设备探测到了中微子振荡的存在，从而证明了中微子有质量。

图2 20英寸光电倍增管应用于神冈探测器

不仅仅是光学技术

滨松集团的光电子产品（如X射线管和一系列光探测器和激光）正应用于数百万的医疗、工业和商业设备中，但为了对科学和社会做出贡献，滨松集团也在着手应对物理学和先进光电子技术方面的重大挑战。

“滨松集团从20世纪50年代开始生产真空光电倍增管，至今仍有成千上万的光电倍增管被广泛使用。”丸野表示，“在70年的历史中，我们研发了众多的设备，其中有许多独特的、为特定研究或工业需求而研发的设备。我们是唯 一一家能够生产从X射线到红外线的全光谱探测器和发射器的公司，我们也正在不断突破我们中 央研究实验所的极限。”

图3 中 央研究所展示

滨松集团生产的独特硅条探测器等部件是欧洲大型强子对撞机首次探测到希格斯玻色子（产生质量的亚原子粒子）的关键部件。这一期待已久的突破也在2013年被授予诺贝尔奖。

下一项前沿研究-ORCA-Quest

为了追求更灵敏的光探测，丸野踏上了数十年的旅程，现在的他已经实现了曾经难以想象的目标——在空间上解析光子的数量。

传统的光电倍增管可以捕捉最微弱的光，并产生可用于分析的电信号，但这些光只能被解析为光子发射总数。对每个光子进行计数的能力将为研究开辟全新的可能性。

“我一直对微光成像和探测非常感兴趣，并且已经在各种设备上工作了近40年，”丸野说，“我一直在想，探测每一个光子究竟是否有可能。前些年，我们曾开发了一种可以检测离散光子事件的硅基设备，但它无法区分同时到达单个和多个光子。我们最 新的ORCA-Quest设备是一种二维光子探测像素阵列，让我们首次能够可靠地对每一个光子进行区分和计数。”

图4 ORCA-Quest入围2022国际光学“棱镜奖”（Prism Awards）

消除噪声

基于标准的半导体技术和制造方法，ORCA-Quest相机探测单个光子的能力可以归功于几乎为零的设备噪声。在这一语境下，“噪声”是指由设备的电子器件、半导体系统中的原子杂质、环境光源和其他光源造成的任何干扰。事实上，对于单光子来说，几乎任何东西都可以产生足够干扰单光子的噪音。

“我们的重 点是减少噪音，这对探测单个光子而言至关重要。”丸野说，“通过减慢读出电子并消除所有其他噪声源，我们已成功地将噪声降低到0.27电子的水平。我们希望通过未来的改进将其降至0.15电子，这将使我们能够提高时间分辨率，超过目前每秒2万个样本的限制。”

这种可以在空间上解析光子数量的相机有望应用于众多研究领域，包括对偶性、叠加和纠缠等量子现象的研究以及生物物理过程（如跟踪单分子和超灵敏全内反射荧光显微镜）的研究。

图5 丸野正及其滨松集团（相机）的工程团队

为未来技术赋能

滨松集团正在开发许多新设备，并正在与学术、工业和商业合作伙伴合作，创造支持全新和未来应用的技术。

“我们的实验室通常有10-20年的发展周期，这使我们能够应对最初看起来不太可能的挑战。”丸野说，“最重要的是，我们拥有强大的企业文化，能够利用这样的挑战获得新的经验和知识，无论最 终成功与否。”

通过这种方式，滨松集团致力于走向独特，成为探索未知领域的研究合作的一员，并以其70年来不断积累的知识和专业知识为后盾，满足支持科学和社会的真实需求。

“例如，我们现在正在开发高能量输出的激光器，这是一种正在成为聚变能源的关键技术。”丸野说，“为此，我们正在与世界上一些最 先 进的实验室合作。”

“光子学已经在科学和我们的日常生活中发挥着至关重要的作用。”他补充道，“但我们相信，它还有更多的潜力，并将成为我们向可持续未来过渡的关键技术。”

图6 滨松多种应用展示

The contents of this page are a translation into Chinese of an article feature (URL:https://www.nature.com/articles/d42473-022-00454-x

that published in the "NatureIndex Japan" special issue of Nature (*) March 9, 2023. (Responsibility for the Chinese text: Hamamatsu Photonics K.K.). 

*Nature is an international, comprehensive scientific journal that communicates cutting-edge science to readers around the world.