Ingen flydende helium, men stadig ekstremt sejt

NIST-forskere har udtænkt et nyt hybridsystem til afkøling af superledende nanotråd single-foton detektorer (SNSPD)-væsentlige værktøjer til mange former for banebrydende forskning-der er langt mindre end dem, der tidligere er påvist, og som eliminerer behovet for konventionelle kryogener-som f.eks. flydende helium.

SNSPD'er bruges i ultrasikker kvantekommunikation, defektanalyse af små integrerede kredsløb, laserbaseret lysdetektering og rækkevidde (LIDAR), og biologisk forskning, blandt mange andre applikationer. Dimensioner på en individuel detektor er ikke meget større end bredden af ​​et menneskehår. Fordi de er baseret på superledende materialer, de fungerer ved ekstremt lave temperaturer kun få kelvin over absolut nul.

Historisk set at dette niveau af køling typisk er opnået med flydende heliumsystemer, der er dyre, kompliceret, stor, og kræver betydelig ekspertise for at drive og vedligeholde sikkert. I de seneste år, der har været stigende interesse på verdensplan for at finde alternativer. NIST -arbejdet er en milepæl i den indsats.

"SNSPD'er kunne indsættes meget bredere, hvis en kompakt, laveffektkølesystem var tilgængeligt, "siger NIST -fysiker Sae Woo Nam, der udviklede den nye metode med NIST -kollegerne Vincent Kotsubo, Joel Ullom, og andre.

"Da vi begyndte vores arbejde, intet sådant system fandtes, "Nam siger." Det tætteste på det var en enhed på størrelse med en vandvarmer, der trækker 1,5 kilowatt strøm. Det er unødigt højt. Selvom vi skal afkøle SNSPD'erne til meget lave temperaturer, størrelsen og arten af ​​enhederne er sådan, at mængden af ​​varme, der skal fjernes, er ganske lille - i nærheden af ​​et par hundrede mikrowatt. "

Holdets prototype køligere, køre, kontrolelektronik og instrumentering er 0,31 m høj og 0,61 m lang. Når alt ingeniørarbejde er afsluttet, forskerne mener, at det let vil passe ind i et standard elektronikstativ. Dens effektbehov er omkring 250 watt.

"Dette arbejde er også i overensstemmelse med et af NIST's mål - udviklingen af ​​'usynlige' kryogene systemer, "siger Kotsubo, systemets ledende designer. "Det er, de er ikke kun fysisk små og kræver lav effekt, men de er praktisk talt 'black box' -enheder - brugere skal bare tænde det, og det virker. Det vil hjælpe med at overvinde en fælles psykologisk barriere om, at kryogenik er teknisk hårdt og farligt. "

NIST -teamets nuværende prototype -enhed, beskrevet i IEEE -transaktioner om anvendt superledning , går langt mod det mål. Den er afhængig af et hybrid kølesystem omfattende en Joule-Thomson kryokøler (JT) og et pulserørskøleskab (PTR). Begge deler nogle fælles elementer med kølesystemet i et hjemmekøleskab:En gas komprimeres skiftevis og får derefter lov til at ekspandere, afgiver termisk energi til en veksler, der fjerner varme fra systemet. Systemet er helt lukket. "Vi recirkulerer gassen kontinuerligt, komprimere det og komprimere det igen, "Siger Kotsubo.

PTR kan nå temperaturer så lave som 10 K. Det bruges til at forkøle JT, som kan nå under 2 K. SNSPD'er har krævet driftstemperaturer i området 1 K - 2 K.

"Vi skrumper tingene ned til en skala, hvor der ikke er nogen tekniske tommelfingerregler, der hjælper dig med at guide dig i designet, eller beslutte, hvilke materialer der skal bruges, "Nam siger." Kun en håndfuld mennesker har udført arbejde på dette område. Alt er specialfremstillet undtagen kompressorerne. Vi forsøger at finde på et design, der faktisk kan fremstilles. "

Den første planlægning blev understøttet af National Security Agency, som har en løbende interesse i mindre skala, bærbare telekommunikationsapparater. "De ville have et papirstudie, "Nam siger, "og Vince gjorde det. Det så ud til, at vi faktisk kunne bygge noget, så NSA finansierede den første del af opbygningen af ​​prototypen. "

Projektet - som stadig er i en tidlig fase - modtager nu finansiering under en kooperativ forsknings- og udviklingsaftale (CRADA) med et Michigan -firma kaldet Quantum Opus, som forventer i sidste ende at kommercialisere teknologien. Firmaet støttes af et Small Business Innovation Research -tilskud fra Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

Grundlæggeren af ​​Quantum Opus, fysiker Aaron Miller, mener, at "dette vil være det mindste, laveste effekt kontinuerligt fungerende kryogene system i stand til at nå mindre end 2 kelvin. Ideelt set kunne det flytte eksperimenter, der normalt ville være bundet til et højspændingsstik og vandkølesystem til mere mobile miljøer såsom fly- og telekommunikationsdataskabe. Som med mange DARPA -projekter, applikationerne er ikke fuldt ud kendt endnu. Men forhåbentlig vil eksistensen af ​​dette system få folk til at interessere sig for nye applikationer, der tidligere var antaget umulige. "

"Jeg er begejstret for det langsigtede mål om at gøre kryogenik usynlig for slutbrugeren, "Siger Nam." På den måde kan folk fokusere på de problemer, de forsøger at løse i stedet for at bruge meget tid på komplicerede kølesystemer.

"Dette er en del af en større indsats, hvor organisationer kan spare millioner af dollars ved at gå kryogenfrit. Med den rigtige investering i strategiske områder som dette, forenkling af måleinfrastrukturen kan have en enorm indvirkning. "