مهندسان آدلاید با حلقه‌های بدون پیوند، آرایه‌های SQUID را به مغناطیس‌سنج مطلق تبدیل می‌کنند

پژوهشی در Physical Review Applied نشان می‌دهد حلقه‌های ابررسانای بدون پیوند جوزفسون می‌توانند اندازه‌های متفاوت حلقه را که حسگرهای SQIF نیاز دارند شبیه‌سازی کنند و ساخت را ساده‌تر کنند.

این صفحه از انگلیسی ترجمه شده است. نام شرکت‌ها، محصولات و پیوندهای منابع بدون تغییر باقی مانده‌اند. خواندن نسخه اصلی انگلیسی

پژوهشگران دانشگاه آدلاید (Adelaide University) در استرالیای جنوبی روش ساده‌تری برای ساخت آرایه‌هایی از افزاره‌های تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUID) ارائه کرده‌اند که می‌توانند میدان مغناطیسی مطلق را بدون از دست دادن حساسیتی که آن‌ها را جذاب می‌کند اندازه بگیرند. کار دانشجویان دکتری راس موناگان و جاناتان مارنکوویچ و دانشیار جوزپه تتامانزی از گروه کوانتوم و فناوری نانوی دانشگاه (QuaNTeG) در ۲۶ اکتبر در Physical Review Applied منتشر شد (جلد ۲۶، مقاله ۰۴۴۰۷۷) و متن کامل آن در arXiv نیز در دسترس است.

مسئله

SQUIDها حلقه‌هایی از مادهٔ ابررسانا هستند که با پیوندهای جوزفسون قطع می‌شوند و از حساس‌ترین آشکارسازهای میدان مغناطیسی موجودند. ترکیب حلقه‌های SQUID فراوان در یک آرایهٔ دوبعدی حسگرهای فرکانس رادیویی بسیار قدرتمندی پدید می‌آورد. به گفتهٔ دانشگاه، مشکل این است که این افزاره‌ها در تشخیص لحظه‌ای که میدان مغناطیسی دقیقاً صفر است دچار دشواری‌اند.

راه‌حل معمول، که در فیلترهای تداخل کوانتومی ابررسانا (SQIF) به کار می‌رود، این است که مساحت حلقه‌ها عمداً نابرابر ساخته شود تا آرایه بتواند به‌عنوان مغناطیس‌سنج مطلق کار کند. به گفتهٔ این پژوهش، این الزام با بهینه‌سازی تک‌تک حلقه‌ها در تعارض است: تغییر اندازهٔ حلقه، القاییدگی آن و یک پارامتر کلیدی طراحی را نیز تغییر می‌دهد که برای عملکرد خوب باید به‌دقت کنترل شود. این بده‌بستان مانع می‌شود چنین آرایه‌هایی به تمام توان بالقوهٔ خود برسند؛ توانی که نویسندگان آن را تنها محدود به حد کوانتومی استاندارد توصیف می‌کنند. اطلاعیهٔ دانشگاه یادآور می‌شود که طرح‌های موجود ممکن است به صدها یا حتی هزاران حلقه با اندازه‌های متفاوت نیاز داشته باشند.

جزئیات فنی

تیم آدلاید اندازهٔ همهٔ حلقه‌ها را یکسان نگه داشت و در عوض برخی حلقه‌های منتخب را با بخش‌های ابررسانای «برهنه» بدون پیوند جوزفسون جایگزین کرد. این حلقه‌های برهنه شیوهٔ توزیع شار مغناطیسی در مدار را تغییر می‌دهند، به‌طوری که آرایه چنان رفتار می‌کند که گویی حلقه‌هایش مساحت‌های متفاوتی دارند. نویسندگان این را «پراکندگی مساحت مصنوعی» می‌نامند و فرمولی تحلیلی به دست می‌آورند که چیدمان حلقه‌های برهنه را به پراکندگی معادل مساحت‌های فیزیکی پیوند می‌دهد.

سپس چند آرایهٔ دوبعدی SQIF با حلقه‌های برهنه ساختند و آن‌ها را در دماهای بسیار پایین به کار انداختند. به گفتهٔ پژوهشگران، افزاره‌های اندازه‌گیری‌شده مطابق با نظریه رفتار کردند.

تتامانزی گفت: «با افزودن حلقه‌های برهنه‌ای که با دقت جانمایی شده‌اند، می‌توانیم به همان نتیجه برسیم و در عین حال شرایط لازم برای بیشینهٔ حساسیت را حفظ کنیم.»

چرا مهم است

اگر حلقه‌های یکسان کافی باشند، سازندگان دیگر لازم نیست آرایه‌های بزرگی با هندسه‌های حلقهٔ متنوع بسازند؛ به گفتهٔ دانشگاه این می‌تواند ساخت افزاره‌ها را ساده‌تر و ارزان‌تر کند. دانشگاه پایش مغز، گیرنده‌های فرکانس رادیویی حساس‌تر، ارتباطات کم‌نویز و حسگری الکترومغناطیسی را از کاربردهای ممکن برمی‌شمارد.

نکاتی برای پیگیری

دانشگاه می‌گوید پیش از تجاری‌سازی این فناوری آزمون‌های بیشتری لازم است. این ایده موضوع یک درخواست ثبت اختراع بین‌المللی است و پژوهش‌های بعدی برای بهبود عملکرد افزاره‌ها و بررسی کاربردهای تازه در جریان است. The Quantum Insider اطلاعیهٔ دانشگاه را در ۲ نوامبر منتشر کرد.