NIST-wetenschappers hebben een nieuw hybride systeem ontwikkeld voor het koelen van supergeleidende nanodraad-single-photon-detectoren (SNPD) - essentiële hulpmiddelen voor vele soorten geavanceerd onderzoek - dat veel kleiner is dan eerder is aangetoond en dat de noodzaak voor conventionele cryogenen, zoals vloeibaar helium.

SNSPD's worden gebruikt in ultraveilige kwantumcommunicatie, defectanalyse van kleinschalige geïntegreerde schakelingen, lasergebaseerde lichtdetectie en -bereik (LIDAR), en biologisch onderzoek, naast vele andere toepassingen. Afmetingen van een individuele detector zijn niet veel groter dan de breedte van een mensenhaar. Omdat ze gebaseerd zijn op supergeleidende materialen, ze werken bij extreem lage temperaturen slechts enkele kelvin boven het absolute nulpunt.

historisch, dat niveau van koeling is meestal bereikt met vloeibare heliumsystemen die duur zijn, ingewikkeld, groot, en vereisen aanzienlijke expertise om veilig te werken en te onderhouden. In recente jaren, er is een groeiende wereldwijde belangstelling voor het vinden van alternatieven. Het NIST-werk is een mijlpaal in die inspanning.

"SNPD's zouden veel breder kunnen worden ingezet als een compact, low-power koelsysteem beschikbaar was, " zegt NIST-natuurkundige Sae Woo Nam, die de nieuwe methode ontwikkelde met NIST-collega's Vincent Kotsubo, Joel Ullom, en anderen.

"Toen we met ons werk begonnen, zo'n systeem bestond niet, "zegt Nam. "Het dichtst in de buurt kwam van een apparaat ter grootte van een waterverwarmer dat 1,5 kilowatt aan stroom trekt. Dat is onnodig hoog. Hoewel we de SNSPD's moeten koelen tot zeer lage temperaturen, de grootte en aard van de apparaten zijn zodanig dat de hoeveelheid af te voeren warmte vrij klein is - in de buurt van een paar honderd microwatt."

De prototypekoeler van het team, rit, besturingselektronica en instrumentatie is 0,31 m hoog en 0,61 m lang. Wanneer al het technische werk is voltooid, de wetenschappers denken dat het gemakkelijk in een standaard elektronicarek past. Het stroomverbruik is ongeveer 250 watt.

"Dit werk is ook in lijn met een van de doelen van NIST:de ontwikkeling van 'onzichtbare' cryogene systemen, " zegt Kotsubo, de hoofdontwerper van het systeem. "Dat is, ze zijn niet alleen fysiek klein en vereisen weinig stroom, maar het zijn praktisch 'black box'-apparaten - gebruikers hoeven het alleen maar aan te zetten en het werkt. Dat zal helpen een gemeenschappelijke psychologische barrière te overwinnen dat cryogenie technisch moeilijk en gevaarlijk is."

Het huidige prototype apparaat van het NIST-team, beschreven in IEEE-transacties op toegepaste supergeleiding , gaat een heel eind in de richting van dat doel. Het is gebaseerd op een hybride koelsysteem bestaande uit een Joule-Thomson cryokoeler (JT) en een pulsbuiskoelkast (PTR). Beide hebben enkele gemeenschappelijke elementen met het koelsysteem in een koelkast voor thuis:een gas wordt afwisselend gecomprimeerd en vervolgens toegestaan ​​om uit te zetten, thermische energie afgeven aan een warmtewisselaar die warmte uit het systeem verwijdert. Het systeem is volledig gesloten. "We recirculeren het gas continu, comprimeren en opnieuw comprimeren, ' zegt Kotsubo.

De PTR kan temperaturen tot 10 K bereiken. Het wordt gebruikt om de JT voor te koelen, die onder de 2 K kan komen. SNSPD's hebben vereiste bedrijfstemperaturen in het bereik van 1 K – 2 K.

"We verkleinen dingen tot een schaal waar er geen technische vuistregels zijn om u te helpen bij het ontwerp, of beslissen welke materialen te gebruiken, ', zegt Nam. 'Slechts een handjevol mensen heeft op dit gebied enig werk gedaan. Alles is op maat gemaakt behalve de compressoren. We proberen een ontwerp te bedenken dat ook echt gemaakt kan worden."

De initiële planning werd ondersteund door de National Security Agency, die een blijvende interesse heeft in kleinschalige, draagbare telecommunicatieapparatuur. "Ze wilden een papieren studie, "Naam zegt, "en Vince deed het. Het leek erop dat we echt iets konden bouwen, dus NSA financierde het eerste deel van het bouwen van het prototype."

Het project - dat zich nog in de beginfase bevindt - ontvangt nu financiering in het kader van een samenwerkingsovereenkomst voor onderzoek en ontwikkeling (CRADA) met een bedrijf uit Michigan genaamd Quantum Opus, die verwacht de technologie uiteindelijk te commercialiseren. Het bedrijf wordt ondersteund door een Small Business Innovation Research-beurs van het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

De oprichter van Quantum Opus, natuurkundige Aaron Miller, gelooft dat "dit de kleinste, continu werkend cryogeen systeem met het laagste vermogen dat minder dan 2 kelvin kan bereiken. In het ideale geval zou het experimenten kunnen verplaatsen die normaal gesproken zouden zijn gekoppeld aan een hoogspanningsstekker en een waterkoelsysteem naar meer mobiele omgevingen zoals datakasten voor vliegtuigen en telecommunicatie. Zoals bij veel DARPA-projecten, de toepassingen zijn nog niet helemaal bekend. Maar hopelijk zal het bestaan ​​van dit systeem mensen interesseren voor nieuwe toepassingen die voorheen voor onmogelijk werden gehouden."

"Ik ben enthousiast over het langetermijndoel om cryogenen onzichtbaar te maken voor de eindgebruiker, " zegt Nam. "Op die manier kunnen mensen zich concentreren op de problemen die ze proberen op te lossen in plaats van veel tijd te besteden aan ingewikkelde koelsystemen.

"Dit maakt deel uit van een grotere inspanning waarbij organisaties miljoenen dollars kunnen besparen door cryogeenvrij te gaan. Met de juiste investering in strategische gebieden zoals deze, het vereenvoudigen van de meetinfrastructuur kan een enorme impact hebben."