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

In de stille, bevroren wereld van de kwantumfysica vertrouwen wetenschappers op een speciaal soort elektronisch gefluister om de zwakste signalen uit het universum te horen. Om deeltjes te detecteren die de donkere materie zouden kunnen vormen of om de staat van een kwantumcomputer uit te lezen, moeten onderzoekers minuscule radiogolven versterken zonder extra ruis toe te voegen. Jarenlang waren de beste instrumenten voor deze taak delicate apparaten, gebouwd van supergeleidende materialen, die elektriciteit geleiden met nul weerstand. Deze versterkers hebben echter een fatale zwakte: ze zijn ongelooflijk gevoelig voor magnetische velden. Zelfs een minuscuul magnetisch veld kan de supergeleidende stromen in hen verstoren, waardoor ze stoppen met werken. Dit creëert een groot probleem voor experimenten die sterke magneten vereisen, zoals die op zoek naar axionen, een hypothetisch deeltje dat de onzichtbare massa van het universum zou kunnen verklaren. In deze experimenten worden de axionen naar verwachting pas in radiogolven getransformeerd die detecteerbaar zijn wanneer ze worden ondergedompeld in een krachtig magnetisch veld, maar juist het magnetische veld dat nodig is om het signaal te creëren, vernietigt ook de versterker die bedoeld is om het te horen.

Om dit op te lossen, richtte een team van onderzoekers zich op een ander type versterker dat gebruikmaakt van een eigenschap genaamd kinetische inductie. In tegen tegenstelling tot de traditionele apparaten die vertrouwen op minuscule juncties die gemakkelijk breken in magnetische velden, komt kinetische inductie voort uit de traagheid van elektronenparen die door een supergeleider bewegen. Dit mechanisme is van nature veel beter bestand tegen magnetische interferentie. De onderzoekers, werkend bij het National Institute of Standards and Technology en het Pacific Northwest National Laboratory, zetten zich in om te testen of deze robuuste versterkers daadwerkelijk konden functioneren in de intense magnetische omgevingen die vereist zijn voor zoektochten naar donkere materie. Ze bouwden twee versies van het apparaat en plaatsten ze in een enorme magneet die velden kan genereren van meer dan anderhalve Tesla, een sterkte die ongeveer dertigduizend keer sterker is dan het magnetisch veld van de aarde.

Het team ontdekte dat de oriëntatie van de versterker ten opzichte van het magnetische veld de beslissende factor was. Wanneer ze het apparaat zo positioneerden dat het magnetische veld er zijdelings tegenaan kwam, loodrecht op het oppervlak, verloor de versterker zijn vermogen om signalen te versterken bij een zeer lage veldsterkte van slechts 0,02 Tesla. Echter, toen ze het apparaat roteerden zodat het magnetische veld parallel aan het oppervlak liep, waren de resultaten opmerkelijk. In deze uitlijning bleef de versterker effectief functioneren, zelfs wanneer het magnetische veld werd verhoogd tot boven de één Tesla. Sterker nog, de onderzoekers ontdekten dat het apparaat het best presteerde, waarbij het de hoogste signaalversterking bereikte, wanneer het magnetische veld tussen de 0,25 en 0,5 Tesla lag. Dit suggereert dat het magnetische veld het apparaat niet simpelweg kapot maakt, maar de interne eigenschappen ervan daadwerkelijk verandert op een manier die beheersbaar is.

Om te begrijpen waarom dit gebeurde, keken de wetenschappers nauwgezet naar hoe het magnetische veld interactie had met het supergeleidende materiaal. Ze observeerden dat het veld kleine magnetische vortexen, of wervelingen van magnetische flux, in het materiaal veroorzaakte. Deze vortexen creëren een vorm van wrijving die energie dissipeert, wat de reden is dat het signaal zwakker wordt. Het team stelde echter vast dat de supergeleidende toestand zelf niet werd vernietigd. In plaats daarvan verhoogde het magnetische veld de kinetische inductie van het materiaal lichtjes. Door de frequentie van het pomp signaal dat de versterker aandrijft aan te passen, konden de onderzoekers deze verandering compenseren en de prestaties van het apparaat herstellen. Dit betekent dat de versterker niet beschermd hoeft te worden tegen de magneet; hij kan direct binnen het veld werken, mits hij correct georiënteerd is en is afgestemd op de juiste frequentie.

De onderzoekers testten ook de duurzaamheid van deze apparaten door ze bloot te stellen aan meerdere cycli van het aan- en uitzetten van het magnetische veld, waarbij de sterkte werd opgevoerd tot 2,5 Tesla. Zelfs na deze herhaalde, zware behandelingen behielden de verstellers hun vermogen om te functioneren, zonder tekenen van permanente schade of de noodzaak voor een speciale koelcyclus om ze te resetten. Deze veerkracht is een belangrijke stap voorwaarts, aangezien het bewijst dat deze versterkers de omstandigheden van real-world donkere materie-experimenten kunnen overleven. De studie bevestigt dat kinetische inductie traveling-wave parametrische versterkers een sterke signaalversterking kunnen bieden over een breed scala aan frequenties terwijl ze zich binnen multi-Tesla magnetische velden bevinden. Deze capaciteit opent de deur naar meer gevoelige zoektochten naar donkere materie en andere fundamentele natuurkunde-experimenten die voorheen beperkt werden door de kwetsbaarheid van hun elektronische sensoren.