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量子井紅外探測器的秘密武器：為什麼它們能偵測到隱形的紅外線？
量子井紅外探測器（QWIP）是一種利用量子井中電子的能帶間遷移來吸收光子的紅外線探測器。為了在紅外線偵測中發揮作用，量子井的參數經過調整，使其第一和第二量子狀態之間的能量差異正好匹配進入的紅外光子能量。QWIP 通常由砷化鎵製造，這是一種在智能手機和高速通訊設備中普遍存在的材料。根據材料和量子井的設計，QWIP 的能量水平可以調整以吸收從 3 到 20 微米的紅外輻射。QWIP 是幾種簡單的量子機械裝置結構之一，可用於探測中波和長波紅外輻射，以其穩定性、高像素均勻性和高像素可操作性而聞名。
歷史
在 1985 年，史提芬·艾戈拉什（Stephen Eglash）和勞倫斯·韋斯特（Lawrence West）觀察到多量子井（MQW）中強烈的能帶間遷移，促使對利用量子井進行紅外探測的更深入考慮。早前基於自由吸收的紅外探測嘗試使得光子能量無法被有效檢測，導致探測器的靈敏度不足。然而，到了 1987 年，量子井紅外探測器的基本操作原理已形成，並顯示出對紅外線的靈敏偵測能力。隨後在 1990 年，技術通過增加障礙層厚度來進一步提高低溫靈敏度。這些裝置正式被稱為量子井紅外探測器。1991 年，首次利用此技術獲得紅外圖像。
2002 年，美國陸軍研究實驗室的研究人員研發出一種可調電壓的雙色 QWIP，實現了遠程溫度感測的有效波長切換。
這項儀器在 10 開爾文下以正偏壓時顯示 7.5 微米的檢測波長，而在較大負偏壓時則切換至 8.8 微米。不過，儘管 QWIP 技術在民用應用中得到用戶青睞，卻因滿足軍用需求的能力不足而受到美國軍方的冷淡對待。當時，因為探測器只能在光線平行於材料層的情況下感測一維量子化，這通常在光照射到探測器邊緣時才會發生。因此，QWIP 技術的量子效率僅有 5%。
為了解決這個問題，陸軍研究實驗室於 2008 年開發了曲線量子紅外探測器（C-QWIP），使用微型鏡面以提高紅外光引導至量子井區域的有效性。
C-QWIP 的 45 度傾斜探測器側壁使得光能有效回彈，在材料層中平行反射以生成電信號。由 ARL 和 L-3 通訊辛辛那提電子公司進行的測試表明，C-QWIP 的帶寬超過 3 微米，這是當時商業 QWIP 的 5 倍。由於 C-QWIPs 可通過砷化鎵製造，因此成為陸軍直升機常規紅外探測器的更具經濟效益的替代品，並在不妥協解析度的情況下，降低了調校和維護的需求。
功能
紅外探測器通常通過檢測物體發射的輻射來工作，輻射的強度取決於諸如物體的溫度、距離和大小等因素。與大多數紅外光電探測器不同，QWIPs 與檢測材料的帶隙無關，因為它們基於單一能帶內的光學遷移。因此，QWIPs 可以用來探測比以往更低能量輻射的物體。
QWIP 的基本結構包含由障礙層分隔的量子井，量子井旨在擁有一個限制狀態和一個與障礙頂部對齊的第一激發狀態。
這些量子井的主要特徵是注入了電子的基態被填滿，並足夠寬以防止量子隧道效應。典型的 QWIPs 由 20 到 50 個量子井構成。在施加偏壓時，整個導電帶會傾斜，並在無光的情況下，電子則靜止在基態中。當 QWIP 照射到與能帶間遷移能量相同或更高能量的光時，電子被激發，可以逃逸至連續態計算為光電流。為了外部測量光電流，需要施加電場以提取量子井中的電子。
光電流的效率受到多個參數的影響。通過粗略地假定探測器以光子通量 φ 照射時，光電流 I_{ph} = e \cdot φ \cdot η \cdot g_{ph} ，其中 e 是基本電荷， η 是吸收效率，而 g_{ph} 是光導增益。
儘管一開始可能感覺不合理，但光導增益
g_{ph}可以大於 1。因為每當電子被激發並以光電流形式提取，就會從對面（發射器）接點注入另一電子來平衡損失。
這種可能性使得量子井紅外探測器在應用中獲得了更高的光電流敏感性和有效性。最終，QWIP 技術的穩定性和廣泛應用前景，使得未來在各類研究和實際應用中潛力無限。科學家們不禁思考：在日益增長的科技需求下，還會有哪些新突破等待我們去發現?
