Los científicos amplifican las señales de conjuntos de sensores superconductores cerca del límite cuántico

Ciencia

Newswise – Comprender cómo se mueve la energía a través de los materiales es esencial para estudiar… Cantidad fenómenos, Catalizador Interacciones y proteínas complejas. Medir cómo se mueve la energía implica hacer brillar rayos X especiales una luz en una muestra para iniciar la reacción. Luego, los detectores recogen la radiación liberada por la reacción. Los sensores convencionales normalmente carecen de la sensibilidad necesaria para estos estudios. Una solución es utilizar superconductor Sensores. Pero amplificar las señales de estos sensores es un gran desafío. Aprovechando el progreso de Estadísticas cuantitativasLos investigadores añadieron un tipo especial de amplificador: amplificadores paramétricos superconductores de ondas viajeras. Si bien la mayoría de los amplificadores añaden ruido a la medición, estos amplificadores son prácticamente silenciosos. En un avance importante, los investigadores demostraron recientemente que los altavoces pueden funcionar a 4 Kelvin, que se consideran temperaturas de funcionamiento relativamente altas.

La influencia

Reducir el ruido agregado durante el procesamiento de la señal puede mejorar el rendimiento del sensor. La amplificación permite que cada sensor funcione más rápido y sea más sensible. Experimentos recientes han demostrado que los amplificadores paramétricos pueden analizar señales de muchos sensores superconductores al mismo tiempo. Los sensores superconductores funcionan a temperaturas muy bajas. A estas temperaturas, los amplificadores paramétricos tienen un rendimiento de ruido muy bueno, cercano a los límites de la mecánica cuántica. Este avance allana el camino para que estos amplificadores se combinen con una variedad de tecnologías de detección.

resumen

El sensor superconductor consta de un termómetro superconductor y un absorbente. Cuando los rayos X se detienen en el absorbente, cambian el estado superconductor del sensor. Esto genera una pequeña corriente en el circuito eléctrico. Para que el detector sea más sensible, se disponen varios sensores en fila, como en una cámara digital. Los sensores superconductores funcionan a temperaturas muy frías (aproximadamente 0,09 K), por lo que requieren amplificadores y dispositivos electrónicos de lectura especializados. Estos amplificadores necesitan combinar señales de múltiples sensores en una sola línea de lectura. La combinación de señales se conoce como multiplexación. Una forma eficaz de hacerlo es conectar cada sensor del conjunto a un resonador. Todos los resonadores están acoplados a una única línea de salida. La corriente generada por el fotón absorbido cambia la frecuencia de resonancia de una manera única para cada sensor.

Dado que estos resonadores funcionan a frecuencias de microondas, el chip electrónico que contiene todos los resonadores más la línea de alimentación de salida se denomina multiplexor de microondas. Los investigadores se están preparando para medir señales de una serie de sensores y un multiplexor de microondas con una cadena de lectura cuyo primer amplificador es un amplificador paramétrico de onda viajera con inductancia cinética en lugar de un amplificador semiconductor convencional. El uso de un amplificador paramétrico reducirá el ruido de lectura y permitirá conjuntos más grandes de sensores más rápidos.

Finanzas

Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, el Programa de Investigación de Aceleradores y Detectores de Ciencias Básicas de la Energía, el Programa del Instituto Nacional de Estándares e Innovaciones Tecnológicas en Ciencias de la Medición y la NASA.