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

Nel silenzioso e gelido mondo della fisica quantistica, gli scienziati si affidano a un tipo speciale di sussurro elettronico per udire i segnali più deboli dell'universo. Per rilevare particelle che potrebbero costituire la materia oscura o per leggere lo stato di un computer quantistico, i ricercatori devono amplificare minuscole onde radio senza aggiungere alcun rumore extra. Per anni, i migliori strumenti per questo compito sono stati delicati dispositivi costruiti con materiali superconduttori, che conducono l'elettricità con resistenza zero. Tuttavia, questi amplificatori hanno un punto debole fatale: sono incredibilmente sensibili ai campi magnetici. Anche un minimo campo magnetico può disturbare le correnti superconduttrici al loro interno, causandone il malfunzionamento. Ciò crea un problema maggiore per gli esperimenti che richiedono magneti potenti, come quelli alla ricerca degli assioni, una particella ipotetica che potrebbe spiegare la massa invisibile dell'universo. In questi esperimenti, si prevede che gli assioni si trasformino in onde radio rilevabili solo quando immersi in un potente campo magnetico, ma il magnete stesso necessario per creare il segnale distrugge anche l'amplificatore destinato ad ascoltarlo.

Per risolvere questo problema, un team di ricercatori si è rivolto a un diverso tipo di amplificatore che utilizza una proprietà chiamata induttanza cinetica. A differenza dei dispositivi tradizionali che si affidano a piccole giunzioni che si rompono facilmente in presenza di campi magnetici, l'induttanza cinetica deriva dall'inerzia delle coppie di elettroni che si muovono attraverso un superconduttore. Questo meccanismo è naturalmente molto più resistente alle interferenze magnetiche. I ricercatori, lavorando presso il National Institute of Standards and Technology e il Pacific Northwest National Laboratory, si sono posti l'obiettivo di testare se questi amplificatori robusti potessero effettivamente funzionare all'interno degli intensi ambienti magnetici richiesti per le ricerche sulla materia oscura. Hanno costruito due versioni del dispositivo e le hanno collocate all'interno di un enorme magnete capace di generare campi superiori a un Tesla e mezzo, una forza circa trentamila volte superiore al campo magnetico terrestre.

Il team ha scoperto che l'orientamento dell'amplificatore rispetto al campo magnetico era il fattore decisivo. Quando hanno posizionato il dispositivo in modo che il campo magnetico lo colpisse lateralmente, perpendicolarmente alla sua superficie, l'amplificatore ha perso la capacità di potenziare i segnali a una forza di campo molto bassa, di soli 0,02 Tesla. Tuttavia, quando hanno ruotato il dispositivo in modo che il campo magnetico scorresse parallelamente alla sua superficie, i risultati sono stati sorprendenti. In questo allineamento, l'amplificatore ha continuato a funzionare efficacemente anche quando il campo magnetico è stato aumentato a oltre un Tesla. Infatti, i ricercatori hanno scoperto che il dispositivo otteneva le prestazioni migliori, raggiungendo il suo massimo potenziamento del segnale, quando il campo magnetico era compreso tra 0,25 e 0,5 Tesla. Ciò suggerisce che il campo magnetico non distrugga semplicemente il dispositivo, ma ne cambi effettivamente le proprietà interne in un modo che può essere gestito.

Per capire perché ciò sia accaduto, gli scienziati hanno esaminato attentamente come il campo magnetico interagiva con il materiale superconduttore. Hanno osservato che il campo causava l'ingresso nel materiale di piccoli vortici magnetici, o vortici di flusso magnetico. Questi vortici creano una sorta di attrito che dissipa energia, motivo per cui il segnale si indebolisce. Tuttavia, il team ha scoperto che lo stato superconduttore in sé non veniva distrutto. Al contrario, il campo magnetico aumentava leggermente l'induttanza cinetica del materiale. Regolando la frequenza del segnale di pompaggio utilizzato per pilotare l'amplificatore, i ricercatori potevano compensare questo cambiamento e ripristinare le prestazioni del dispositivo. Ciò significa che l'amplificatore non ha bisogno di essere schermato dal magnete; può operare direttamente all'interno del campo, purché sia orientato correttamente e sintonizzato sulla giusta frequenza.

I ricercatori hanno anche testato la durabilità di questi dispositivi esponendoli a molteplici cicli di accensione e spegnimento del campo magnetico, portando la forza fino a 2,5 Tesla. Anche dopo questi trattamenti ripetuti e duri, gli amplificatori hanno mantenuto la loro capacità di funzionare, non mostrando segni di danni permanenti o la necessità di un ciclo di raffreddamento speciale per resettarli. Questa resilienza è un passo avanti significativo, poiché dimostra che questi amplificatori possono sopravvivere alle condizioni degli esperimenti reali sulla materia oscura. Lo studio conferma che gli amplificatori parametrici a onda viaggiante a induttanza cinetica possono fornire un forte potenziamento del segnale su un ampio intervallo di frequenze operando all'interno di campi magnetici multi-Tesla. Questa capacità apre la strada a ricerche più sensibili sulla materia oscura e su altri esperimenti di fisica fondamentale che erano precedentemente limitati dalla fragilità dei loro sensori elettronici.