Inżynierowie z Adelaide zamieniają macierze SQUID w magnetometry absolutne dzięki pętlom bez złączy

Badanie w Physical Review Applied pokazuje, że nadprzewodzące pętle bez złączy odtwarzają zróżnicowane rozmiary pętli wymagane w czujnikach SQIF i upraszczają produkcję.

Ta strona została przetłumaczona z angielskiego. Nazwy firm i produktów oraz linki do źródeł pozostają bez zmian. Przeczytaj oryginał po angielsku

Naukowcy z Adelaide University w Australii Południowej przedstawili prostszy sposób budowy macierzy nadprzewodzących interferometrów kwantowych (SQUID), które potrafią mierzyć bezwzględne pole magnetyczne bez utraty czułości, która czyni je atrakcyjnymi. Praca doktorantów Rossa Monaghana i Jonathana Marenkovica oraz profesora nadzwyczajnego Giuseppe Tettamanziego z uczelnianej Quantum and Nano Technology Group (QuaNTeG) została opublikowana w Physical Review Applied 26 października (tom 26, artykuł 044077), a pełny tekst jest dostępny także w serwisie arXiv.

Problem

SQUID-y to pętle z materiału nadprzewodzącego przerwane złączami Josephsona; należą do najczulszych istniejących detektorów pola magnetycznego. Połączenie wielu pętli SQUID w dwuwymiarową macierz daje bardzo wydajne czujniki radiowe. Haczyk, jak wyjaśnia uczelnia, polega na tym, że takie urządzenia mają trudność z rozpoznaniem, kiedy pole magnetyczne wynosi dokładnie zero.

Typowym rozwiązaniem, stosowanym w nadprzewodzących filtrach interferencji kwantowej (SQIF), jest celowe zróżnicowanie powierzchni pętli, tak aby macierz mogła działać jako magnetometr absolutny. Według badania wymóg ten koliduje z optymalizacją każdej pojedynczej pętli: zmiana rozmiaru pętli zmienia też jej indukcyjność i kluczowy parametr projektowy, który trzeba precyzyjnie kontrolować, by uzyskać dobre parametry. Ten kompromis uniemożliwia takim macierzom osiągnięcie pełnego potencjału, który autorzy opisują jako ograniczony jedynie standardową granicą kwantową. Komunikat uczelni zauważa, że istniejące konstrukcje mogą wymagać setek, a nawet tysięcy pętli o różnych rozmiarach.

Szczegóły techniczne

Zespół z Adelaide zachował jednakowy rozmiar wszystkich pętli, a zamiast tego zastąpił wybrane pętle „gołymi” odcinkami nadprzewodzącymi bez złączy Josephsona. Gołe pętle zmieniają rozkład strumienia magnetycznego w obwodzie, dzięki czemu macierz zachowuje się tak, jakby jej pętle miały różne powierzchnie. Autorzy nazywają to „syntetycznym rozrzutem powierzchni” i wyprowadzają wzór analityczny wiążący rozmieszczenie gołych pętli z równoważnym rozrzutem rzeczywistych powierzchni.

Następnie wykonali kilka dwuwymiarowych macierzy SQIF z gołymi pętlami i uruchomili je w bardzo niskich temperaturach. Według badaczy zmierzone urządzenia zachowywały się zgodnie z teorią.

„Wprowadzając starannie rozmieszczone gołe pętle, możemy osiągnąć ten sam efekt, zachowując warunki potrzebne do maksymalnej czułości” — powiedział Tettamanzi.

Dlaczego to ważne

Jeśli jednolite pętle wystarczą, producenci nie będą musieli wytwarzać dużych macierzy o wielu różnych geometriach pętli, co według uczelni może uczynić urządzenia prostszymi i tańszymi w produkcji. Wśród możliwych zastosowań uczelnia wymienia monitorowanie mózgu, czulsze odbiorniki radiowe, komunikację o niskim poziomie szumów i detekcję elektromagnetyczną.

Na co zwrócić uwagę

Uczelnia zaznacza, że przed komercjalizacją technologii potrzebne są dalsze testy. Koncepcja jest przedmiotem międzynarodowego zgłoszenia patentowego, a kolejne badania nad poprawą parametrów urządzeń i nowymi zastosowaniami już trwają. The Quantum Insider opublikował komunikat uczelni 2 listopada.