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

क्वांटम भौतिकी की शांत, जमा देने वाली दुनिया में, वैज्ञानिक ब्रह्मांड से सबसे सूक्ष्म संकेतों को सुनने के लिए एक विशेष प्रकार की इलेक्ट्रॉनिक फुसफुसाहट पर भरोसा करते हैं। डार्क मैटर (dark matter) से बने कणों का पता लगाने या क्वांटम कंप्यूटर की स्थिति को पढ़ने के लिए, शोधकर्ताओं को बिना किसी अतिरिक्त शोर के सूक्ष्म रेडियो तरंगों को प्रवर्धित (amplify) करने की आवश्यकता होती है। वर्षों से, इस काम के लिए सबसे अच्छे उपकरण सुपरकंडक्टिंग (अतिचालक) सामग्रियों से बने नाजुक उपकरण रहे हैं, जो शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन करते हैं। हालाँकि, इन एम्पलीफायरों (प्रवर्धकों) में एक घातक कमजोरी है: वे चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होते हैं। एक छोटा सा चुंबकीय क्षेत्र भी उनके भीतर सुपरकंडक्टिंग धाराओं को बाधित कर सकता है, जिससे वे काम करना बंद कर देते हैं। यह उन प्रयोगों के लिए एक बड़ी समस्या पैदा करता है जिनमें शक्तिशाली चुंबकों की आवश्यकता होती है, जैसे कि एक्सियॉन (axions) की खोज करने वाले प्रयोग, जो एक काल्पनिक कण है जो ब्रह्मांड के अदृश्य द्रव्यमान की व्याख्या कर सकता है। इन प्रयोगों में, यह उम्मीद की जाती है कि एक्सियॉन केवल तभी पता लगाने योग्य रेडियो तरंगों में बदलेंगे जब वे एक शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र के बीच हों, लेकिन जिस चुंबक की सिग्नल बनाने के लिए आवश्यकता है, वही चुंबक उस एम्पलीफायर को नष्ट कर देता है जिसे उसे सुनने के लिए बनाया गया है।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक अलग प्रकार के एम्पलीफायर की ओर रुख किया जो 'काइनेटिक इंडक्टेंस' (kinetic inductance) नामक गुण का उपयोग करता है। पारंपरिक उपकरणों के विपरीत, जो आसानी से चुंबकीय क्षेत्रों में टूट जाने वाले सूक्ष्म जंक्शनों पर निर्भर करते हैं, काइनेटिक इंडक्टेंस एक सुपरकंडक्टर के माध्यम से चलते हुए इलेक्ट्रॉन युग्मों (electron pairs) की जड़ता से आता है। यह तंत्र स्वाभाविक रूप से चुंबकीय हस्तक्षेप के विरुद्ध बहुत अधिक मजबूत है। नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी और पैसिफिक नॉर्थवेस्ट नेशनल लेबोरेटरी में काम कर रहे शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण करने के लिए हाथ मिलाया कि क्या ये मजबूत एम्पलीफायर वास्तव में डार्क मैटर की खोज के लिए आवश्यक तीव्र चुंबकीय वातावरण के भीतर कार्य कर सकते हैं। उन्होंने उपकरण के दो संस्करण बनाए और उन्हें एक विशाल चुंबक के भीतर रखा जो डेढ़ टेस्ला से अधिक का क्षेत्र उत्पन्न करने में सक्षम है, जो पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र से लगभग तीस हजार गुना अधिक शक्तिशाली है।

टीम ने पाया कि चुंबकीय क्षेत्र के सापेक्ष एम्पलीफायर का ओरिएंटेशन (अभिविन्यास) ही निर्णायक कारक था। जब उन्होंने उपकरण को इस तरह रखा कि चुंबकीय क्षेत्र उसकी सतह के लंबवत, यानी बगल से टकराए, तो एम्पलीफायर ने मात्र 0.02 टेस्ला की बहुत कम क्षेत्र शक्ति पर ही सिग्नल बढ़ाने की अपनी क्षमता खो दी। हालाँकि, जब उन्होंने उपकरण को इस तरह घुमाया कि चुंबकीय क्षेत्र उसकी सतह के समानांतर चले, तो परिणाम आश्चर्यजनक थे। इस संरेखण में, एम्पलीफायर एक टेस्ला से अधिक के चुंबकीय क्षेत्र में भी प्रभावी ढंग से काम करना जारी रखता रहा। वास्तव में, शोधकर्ताओं ने पाया कि उपकरण का प्रदर्शन तब सबसे अच्छा था, जब चुंबकीय क्षेत्र 0.25 और 0.5 टेस्ला के बीच था। यह सुझाव देता है कि चुंबकीय क्षेत्र केवल उपकरण को तोड़ता नहीं है, बल्कि वास्तव में इसके आंतरिक गुणों को इस तरह बदल देता है जिसे प्रबंधित किया जा सकता है।

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, वैज्ञानिकों ने बारीकी से देखा कि चुंबकीय क्षेत्र ने सुपरकंडक्टिंग सामग्री के साथ कैसे परस्पर क्रिया की। उन्होंने देखा कि क्षेत्र ने सामग्री के भीतर सूक्ष्म चुंबकीय भंवर (vortices), या चुंबकीय फ्लक्स के भंवर, उत्पन्न किए। ये भंवर ऊर्जा को नष्ट करने वाला घर्षण का एक रूप बनाते हैं, यही कारण है कि सिग्नल कमजोर हो जाता है। हालाँकि, टीम ने पाया कि सुपरकंडक्टिंग अवस्था स्वयं नष्ट नहीं हुई थी। इसके बजाय, चुंबकीय क्षेत्र ने सामग्री के काइनेटिक इंडक्टेंस को थोड़ा बढ़ा दिया। पंप सिग्नल की आवृत्ति (frequency) को समायोजित करके, जिसका उपयोग एम्पलीफायर को चलाने के लिए किया जाता है, शोधकर्ता इस परिवर्तन की भरपाई कर सके और प्रदर्शन को बहाल कर सके। इसका अर्थ है कि एम्पलीफायर को चुंबक से ढंकने (shielding) की आवश्यकता नहीं है; यह सीधे क्षेत्र के भीतर काम कर सकता है, बशर्ते इसे सही ढंग से उन्मुख किया जाए और सही आवृत्ति पर ट्यून किया जाए।

शोधकर्ताओं ने चुंबकीय क्षेत्र को चालू और बंद करने के कई चक्रों के माध्यम से इन उपकरणों के स्थाय वर्षता (durability) का भी परीक्षण किया, जिसमें क्षेत्र की शक्ति को 2.5 टेस्ला तक बढ़ाया गया। इन बार-बार होने वाले कठोर उपचारों के बाद भी, एम्पलीफायरों ने कार्य करने की अपनी क्षमता बनाए रखी, जिससे स्थायी क्षति या उन्हें रीसेट करने के लिए किसी विशेष कूलिंग चक्र की आवश्यकता के कोई संकेत नहीं मिले। यह लचीलापन एक महत्वपूर्ण प्रगति है, क्योंकि यह सिद्ध करता है कि ये एम्पलीफायर वास्तविक दुनिया के डार्क मैटर प्रयोगों की स्थितियों में जीवित रह सकते हैं। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि काइनेटिक इंडक्टेंस ट्रैवलिंग-वेव पैरामीट्रिक एम्पलीफायर्स, मल्टी-टेस्ला चुंबकीय क्षेत्रों के भीतर बैठकर आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला पर मजबूत सिग्नल प्रवर्धन प्रदान कर सकते हैं। यह क्षमता डार्क मैटर और अन्य मौलिक भौतिकी प्रयोगों के लिए अधिक संवेदनशील खोजों का मार्ग प्रशस्त करती है जो पहले उनके इलेक्ट्रॉनिक सेंसरों की नाजुकता के कारण सीमित थे।