Operation of Unshielded Kinetic-Inductance Traveling-Wave Parametric Amplifiers in Multi-Tesla Fields

في عالم فيزياء الكم الهادئ والمتجمد، يعتمد العلماء على نوع خاص من الهمس الإلكتروني لسماع أضعف الإشارات القادمة من الكون. فلكي يتمكن الباحثون من رصد الجسيمات التي قد تشكل المادة المظلمة أو لقراءة حالة حاسوب كمي، يحتاجون إلى تضخيم موجات راديوية ضئيلة دون إضافة أي ضجيج إضافي. لسنوات، كانت أفضل الأدوات لهذه المهمة هي أجهزة دقيقة مصنوعة من مواد فائقة التوصيل، والتي تنقل الكهرباء بمقاومة صفرية. ومع ذلك، فإن هذه المضخمات لديها نقطة ضعف قاتلة: فهي حساسة للغاية للمجالات المغناطيسية. فحتى المجال المغناطيسي الضئيل يمكن أن يربك التيارات فائقة التوصيل داخلها، مما يؤدي إلى توقفها عن العمل. وهذا يخلق مشكلة كبيرة للتجارب التي تتطلب مغناطيسات قوية، مثل تلك التي تبحث عن "الأكسيونات"، وهي جسيمات افتراضية قد تفسر الكتلة غير المرئية للكون. في هذه التجارب، يُتوقع أن تتحول الأكسيونات إلى موجات راديوية يمكن رصدها فقط عندما تُغمر في مجال مغناطيسي قوي، ولكن المغناطيس نفسه المطلوب لخلق الإشارة يدمر المضخم المخصص لسماعها.

ولحل هذه المعضلة، لجأ فريق من الباحثين إلى نوع مختلف من المضخمات يستخدم خاصية تسمى "الحث الحركي". وخلافاً للأجهزة التقليدية التي تعتمد على وصلات دقيقة تنكسر بسهولة في المجالات المغناطيسية، ينبع الحث الحركي من عطالة أزواج الإلكترونات التي تتحرك عبر موصل فائق. هذه الآلية أكثر صموداً بطبيعتها ضد التداخل المغناطيسي. وقد وضع الباحثون، الذين يعملون في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا والمختبر الوطني لعلوم الطاقة في المحيط الهادئ، نصب أعينهم اختبار ما إذا كان بإمكان هذه المضخمات القوية العمل فعلياً داخل البيئات المغناطيسية المكثفة المطلوبة للبحث عن المادة المظلمة. وقاموا ببناء نسختين من الجهاز ووضعهما داخل مغناطيس ضخم قادر على توليد مجالات تزيد عن واحد ونصف تسلا، وهي قوة تعادل تقريباً ثلاثين ألف مرة قوة المجال المغناطيسي للأرض.

اكتشف الفريق أن اتجاه المضخم بالنسبة للمجال المغناطيسي كان هو العامل الحاسم. فعندما وضعوا الجهاز بحيث يصطدم به المجال المغناطيسي من الجانب، أي بشكل عمودي على سطحه، فقد المضخم قدرته على تضخيم الإشارات عند شدة مجال منخفضة جداً بلغت 0.02 تسلا فقط. ومع ذلك، عندما قاموا بتدوير الجهاز بحيث يجري المجال المغناطيسي موازياً لسطحه، كانت النتائج مذهلة. في هذا الاصطفاف، استمر المضخم في العمل بفعالية حتى عندما زاد المجال المغناطيسي إلى أكثر من واحد تسلا. وفي الواقع، وجد الباحثون أن الجهاز كان يعمل بأفضل حالاته، محققاً أعلى تضخيم للإشارة، عندما كان المجال المغنطيسي يتراوح بين 0.25 و0.5 تسلا. وهذا يشير إلى أن المجال المغناطيسي لا يقوم ببساطة بتدمير الجهاز، بل يغير خصائصه الداخلية بطريقة يمكن التحكم بها.

ولفهم سبب حدوث ذلك، فحص العلماء بدقة كيفية تفاعل المجال المغناطيسي مع المادة فائقة التوصيل. ولاحظوا أن المجال تسبب في دخول دوامات مغناطيسية صغيرة، أو دوامات من التدفق المغناطيسي، إلى المادة. وتخلق هذه الدوامات شكلاً من أشكال الاحتكاك الذي يبدد الطاقة، وهذا هو السبب في ضعف الإشارة. ومع ذلك، وجد الفريق أن الحالة فائقة التوصيل لم تتدمر؛ بل إن المجال المغناطيسي زاد قلياً من الحث الحركي للمادة. ومن خلال ضبط تردد إشارة الضخ المستخدمة لتشغيل المضخم، تمكن الباحثون من تعويض هذا التغيير واستعادة أداء الجهاز. وهذا يعني أن المضخم لا يحتاج إلى درع يحميه من المغناطيس؛ بل يمكنه العمل مباشرة داخل المجال، بشرط توجيهه بشكل صحيح وضبط تردده الصحيح.

كما اختبر الباحثون متانة هذه الأجهزة عبر تعريضها لدورات متعددة من تشغيل وإيقاف المجال المغناطيسي، مع رفع شدته إلى 2.5 تسلا. وحتى بعد هذه المعاملات القاسية المتكررة، احتفظت المضخمات بقدرتها على العمل، ولم تظهر أي علامات على ضرر دائم أو حاجة لدورة تبريد خاصة لإعادة ضبطها. ويمثل هذا الصمود خطوة هامة للأمام، حيث يثبت أن هذه المضخمات يمكنها النجاة من ظروف تجارب المادة المظلمة الواقعية. وتؤكد الدراسة أن مضخمات الحث الحركي الموجية البارامترية يمكن أن توفر تضخيماً قوياً للإشارة عبر نطاق واسع من الترددات أثناء وجودها داخل مجالات مغناطيسية تبلغ عدة تسلا. وتفتح هذه القدرة الباب أمام عمليات بحث أكثر حساسية عن المادة المظلمة وغيرها من تجارب الفيزياء الأساسية التي كانت محدودة سابقاً بسبب هشاشة مستشعراتها الإلكترونية.