مهندسو أديلايد يستخدمون حلقات بلا وصلات لتحويل مصفوفات SQUID إلى مقاييس مغناطيسية مطلقة

دراسة في Physical Review Applied تُظهر أن حلقات فائقة التوصيل بلا وصلات جوزيفسون تحاكي أحجام الحلقات المتفاوتة التي تحتاجها مستشعرات SQIF وتبسّط التصنيع.

قدّم باحثون في جامعة أديلايد (Adelaide University) بجنوب أستراليا طريقة أبسط لبناء مصفوفات من أجهزة التداخل الكمومي فائقة التوصيل (SQUID) قادرة على قياس المجال المغناطيسي المطلق دون التضحية بالحساسية التي تجعلها جذابة. ونُشر عمل طالبَي الدكتوراه روس موناغان وجوناثان مارينكوفيتش والأستاذ المشارك جوزيبي تيتامانزي من مجموعة الكم وتقنية النانو (QuaNTeG) بالجامعة في مجلة Physical Review Applied في 26 أكتوبر (المجلد 26، المقال 044077)، والنص الكامل متاح أيضًا على arXiv.

المشكلة

أجهزة SQUID حلقات من مادة فائقة التوصيل تقطعها وصلات جوزيفسون، وهي من أكثر كواشف المجال المغناطيسي حساسية. ويؤدي جمع حلقات SQUID كثيرة في مصفوفة ثنائية الأبعاد إلى مستشعرات ترددات راديوية قوية جدًا. لكن الجامعة توضح أن هذه الأجهزة تجد صعوبة في تحديد اللحظة التي يكون فيها المجال المغناطيسي صفرًا تمامًا.

والحل المعتاد، المستخدم في مرشحات التداخل الكمومي فائقة التوصيل (SQIF)، هو جعل مساحات الحلقات غير متساوية عمدًا كي تعمل المصفوفة مقياسًا مغناطيسيًا مطلقًا. وبحسب الدراسة، يتعارض هذا الشرط مع تحسين كل حلقة على حدة: فتغيير حجم الحلقة يغيّر أيضًا محاثتها ومعاملًا تصميميًا أساسيًا يجب ضبطه بدقة للحصول على أداء جيد. وتمنع هذه المقايضة تلك المصفوفات من بلوغ كامل إمكاناتها التي يصفها المؤلفون بأنها محدودة فقط بالحد الكمومي القياسي. ويشير إعلان الجامعة إلى أن التصاميم الحالية قد تتطلب مئات بل آلاف الحلقات بأحجام مختلفة.

التفاصيل التقنية

أبقى فريق أديلايد جميع الحلقات بالحجم نفسه، واستبدل بدلًا من ذلك حلقات مختارة بمقاطع فائقة التوصيل "عارية" لا تحتوي على وصلات جوزيفسون. وتغيّر هذه الحلقات العارية طريقة توزع التدفق المغناطيسي في الدائرة، فتتصرف المصفوفة كما لو أن لحلقاتها مساحات مختلفة. ويسمي المؤلفون ذلك "انتشار المساحة الاصطناعي"، ويشتقون صيغة تحليلية تربط ترتيب الحلقات العارية بالانتشار المكافئ في المساحات الفيزيائية.

ثم صنعوا عدة مصفوفات SQIF ثنائية الأبعاد تحتوي حلقات عارية وشغّلوها في درجات حرارة منخفضة جدًا. وبحسب الباحثين، تصرفت الأجهزة المقيسة بما يتوافق مع النظرية.

وقال تيتامانزي: "بإدخال حلقات عارية موضوعة بعناية، يمكننا تحقيق النتيجة نفسها مع الحفاظ على الشروط اللازمة لأقصى حساسية."

لماذا يهم ذلك

إذا كانت الحلقات المتماثلة كافية، فلن يضطر المصنّعون بعد الآن إلى إنتاج مصفوفات كبيرة بأشكال حلقات كثيرة مختلفة، ما قد يجعل الأجهزة، بحسب الجامعة، أبسط وأرخص تصنيعًا. وتذكر الجامعة من بين التطبيقات المحتملة مراقبة الدماغ، وأجهزة استقبال ترددات راديوية أكثر حساسية، والاتصالات منخفضة الضوضاء، والاستشعار الكهرومغناطيسي.

ما الذي ينبغي مراقبته

تقول الجامعة إن هناك حاجة إلى مزيد من الاختبارات قبل تسويق التقنية تجاريًا. والفكرة موضوع طلب براءة اختراع دولي، كما أن دراسات لاحقة لتحسين أداء الأجهزة واستكشاف تطبيقات جديدة جارية بالفعل. ونشر موقع The Quantum Insider إعلان الجامعة في 2 نوفمبر.