Kỹ sư Adelaide dùng vòng không có tiếp giáp để biến mảng SQUID thành từ kế tuyệt đối

Nghiên cứu trên Physical Review Applied cho thấy các vòng siêu dẫn không có tiếp giáp Josephson có thể mô phỏng kích thước vòng khác nhau mà cảm biến SQIF cần và đơn giản hóa việc chế tạo.

Trang này được dịch từ tiếng Anh. Tên công ty, sản phẩm và liên kết nguồn được giữ nguyên. Đọc bản gốc tiếng Anh

Các nhà nghiên cứu tại Adelaide University, Nam Úc, đã trình bày một cách đơn giản hơn để chế tạo mảng thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID) có thể đo từ trường tuyệt đối mà không phải hy sinh độ nhạy vốn làm nên sức hấp dẫn của chúng. Công trình của hai nghiên cứu sinh Ross Monaghan và Jonathan Marenkovic cùng Phó giáo sư Giuseppe Tettamanzi thuộc Quantum and Nano Technology Group (QuaNTeG) của trường đã được công bố trên Physical Review Applied ngày 26 tháng 10 (tập 26, bài 044077), và toàn văn cũng có trên arXiv.

Vấn đề

SQUID là các vòng vật liệu siêu dẫn bị ngắt quãng bởi tiếp giáp Josephson, và thuộc nhóm thiết bị dò từ trường nhạy nhất hiện có. Ghép nhiều vòng SQUID thành mảng hai chiều tạo ra những cảm biến tần số vô tuyến rất mạnh. Theo trường đại học, điểm khó là các thiết bị này gặp trở ngại trong việc xác định khi nào từ trường đúng bằng không.

Giải pháp thông thường, được dùng trong bộ lọc giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQIF), là cố ý làm diện tích các vòng không bằng nhau để mảng có thể hoạt động như một từ kế tuyệt đối. Theo nghiên cứu, yêu cầu đó mâu thuẫn với việc tối ưu từng vòng: thay đổi kích thước vòng cũng làm thay đổi độ tự cảm của nó và một tham số thiết kế then chốt cần được kiểm soát chặt chẽ để đạt hiệu năng tốt. Sự đánh đổi này khiến các mảng như vậy không đạt được toàn bộ tiềm năng, mà các tác giả mô tả là chỉ bị giới hạn bởi giới hạn lượng tử chuẩn. Thông báo của trường lưu ý rằng các thiết kế hiện nay có thể cần hàng trăm, thậm chí hàng nghìn vòng với kích thước khác nhau.

Chi tiết kỹ thuật

Nhóm Adelaide giữ nguyên kích thước cho mọi vòng và thay vào đó thay thế một số vòng được chọn bằng các đoạn siêu dẫn "trần" không có tiếp giáp Josephson. Các vòng trần này thay đổi cách từ thông phân bố trong mạch, nhờ đó mảng hoạt động như thể các vòng có diện tích khác nhau. Các tác giả gọi đây là "độ phân tán diện tích tổng hợp" và rút ra một công thức giải tích liên hệ cách bố trí các vòng trần với độ phân tán diện tích vật lý tương đương.

Sau đó họ chế tạo một số mảng SQIF hai chiều có vòng trần và vận hành chúng ở nhiệt độ rất thấp. Theo các nhà nghiên cứu, các thiết bị được đo hoạt động phù hợp với lý thuyết.

"Bằng cách đưa vào các vòng trần được bố trí cẩn thận, chúng tôi có thể đạt cùng kết quả trong khi vẫn giữ được các điều kiện cần cho độ nhạy tối đa," ông Tettamanzi nói.

Vì sao điều này quan trọng

Nếu các vòng đồng nhất là đủ, nhà sản xuất sẽ không còn phải chế tạo những mảng lớn với nhiều hình dạng vòng khác nhau, điều mà theo trường có thể giúp thiết bị đơn giản và rẻ hơn. Trường liệt kê các ứng dụng tiềm năng như theo dõi não, bộ thu tần số vô tuyến nhạy hơn, truyền thông nhiễu thấp và cảm biến điện từ.

Điều cần theo dõi

Trường cho biết cần thêm thử nghiệm trước khi công nghệ có thể được thương mại hóa. Ý tưởng này đã được nộp đơn xin cấp bằng sáng chế quốc tế, và các nghiên cứu tiếp theo nhằm cải thiện hiệu năng thiết bị cũng như khám phá ứng dụng mới đang được tiến hành. The Quantum Insider đăng thông báo của trường ngày 2 tháng 11.