Los científicos del NIST han ideado un nuevo sistema híbrido para enfriar detectores de fotón único de nanocables superconductores (SNSPD), herramientas esenciales para muchos tipos de investigación de vanguardia, que es mucho más pequeño que los demostrados anteriormente y que elimina la necesidad de criógenos convencionales, como helio líquido.

Los SNSPD se utilizan en comunicaciones cuánticas ultraseguras, análisis de defectos de circuitos integrados de pequeña escala, detección y rango de luz basada en láser (LIDAR), e investigación biológica, entre muchas otras aplicaciones. Las dimensiones de un detector individual no son mucho mayores que el ancho de un cabello humano. Debido a que se basan en materiales superconductores, operan a temperaturas extremadamente bajas, solo unos pocos kelvin por encima del cero absoluto.

Históricamente, ese nivel de enfriamiento se ha logrado típicamente con sistemas de helio líquido que son costosos, Complicado, grande, y exigen una experiencia considerable para operar y mantener de manera segura. En años recientes, Ha habido un creciente interés en todo el mundo por encontrar alternativas. El trabajo de NIST es un hito en ese esfuerzo.

"Los SNSPD podrían implementarse de manera mucho más amplia si un compacto, estaba disponible un sistema de enfriamiento de baja potencia, "dice el físico del NIST Sae Woo Nam, que desarrolló el nuevo método con los colegas del NIST Vincent Kotsubo, Joel Ullom, y otros.

"Cuando comenzamos nuestro trabajo, no existía tal sistema, "Nam dice." Lo más parecido a él fue un dispositivo del tamaño de un calentador de agua que consume 1,5 kilovatios de energía. Eso es innecesariamente alto. Aunque necesitamos enfriar los SNSPD a temperaturas muy bajas, el tamaño y la naturaleza de los dispositivos son tales que la cantidad de calor que se debe eliminar es bastante pequeña, en el entorno de unos pocos cientos de microvatios ".

El prototipo de enfriador del equipo, conducir, La electrónica de control y la instrumentación tiene 0,31 m de altura y 0,61 m de longitud. Cuando se complete todo el trabajo de ingeniería, los científicos creen que cabe fácilmente en un bastidor de electrónica estándar. Su demanda de energía es de unos 250 vatios.

"Este trabajo también está en línea con uno de los objetivos del NIST:el desarrollo de sistemas criogénicos 'invisibles', "dice Kotsubo, el diseñador principal del sistema. "Es decir, no solo son físicamente pequeños y requieren poca potencia, pero son prácticamente dispositivos de "caja negra":los usuarios solo tienen que encenderlos y funciona. Eso ayudará a superar una barrera psicológica común de que la criogenia es técnicamente difícil y peligrosa ".

El dispositivo prototipo actual del equipo del NIST, descrito en Transacciones IEEE sobre superconductividad aplicada , recorre un largo camino hacia ese objetivo. Se basa en un sistema de enfriamiento híbrido que comprende un refrigerador criogénico (JT) de Joule-Thomson y un refrigerador de tubo de impulsos (PTR). Ambos comparten algunos elementos comunes con el sistema de enfriamiento en un refrigerador doméstico:un gas se comprime alternativamente y luego se deja expandir, vertiendo energía térmica a un intercambiador que elimina el calor del sistema. El sistema está completamente cerrado. "Recirculamos el gas continuamente, comprimiéndolo y volviéndolo a comprimir, "Dice Kotsubo.

El PTR puede alcanzar temperaturas tan bajas como 10 K. Se utiliza para preenfriar el JT, que pueden alcanzar menos de 2 K. Los SNSPD requieren temperaturas de funcionamiento en el rango de 1 K - 2 K.

"Estamos reduciendo las cosas a una escala en la que no existen reglas generales de ingeniería que lo guíen en el diseño, o decidir qué materiales utilizar, "Nam dice." Sólo un puñado de personas ha realizado algún trabajo en esta área. Todo está hecho a medida excepto los compresores. Estamos tratando de encontrar un diseño que realmente se pueda fabricar ".

La planificación inicial fue apoyada por la Agencia de Seguridad Nacional, que tiene un interés continuo en la pequeña escala, Aparatos de telecomunicaciones portátiles. "Querían un estudio en papel, "Nam dice, "y Vince lo hizo. Parecía que podíamos construir algo, por lo que la NSA financió la parte inicial de la construcción del prototipo ".

El proyecto, que aún se encuentra en las primeras etapas, ahora recibe fondos en virtud de un acuerdo de investigación y desarrollo cooperativo (CRADA) con una empresa de Michigan llamada Quantum Opus. que espera comercializar eventualmente la tecnología. La firma cuenta con el apoyo de una subvención de Investigación en Innovación para Pequeñas Empresas de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA).

El fundador de Quantum Opus, el físico Aaron Miller, cree que "este será el más pequeño, sistema criogénico de funcionamiento continuo de menor potencia capaz de alcanzar menos de 2 kelvin. Idealmente, podría trasladar experimentos que normalmente estarían conectados a un enchufe de pared de alto voltaje y un sistema de refrigeración por agua a entornos más móviles, como armarios de datos de aviones y telecomunicaciones. Como ocurre con muchos proyectos de DARPA, las aplicaciones aún no se conocen completamente. Pero es de esperar que la existencia de este sistema haga que la gente se interese en nuevas aplicaciones que antes se consideraban imposibles ".

"Estoy entusiasmado con el objetivo a largo plazo de hacer que la criogenia sea invisible para el usuario final, "Nam dice." De esa manera la gente puede concentrarse en los problemas que están tratando de resolver en lugar de dedicar mucho tiempo a complicados sistemas de enfriamiento.

"Esto es parte de un esfuerzo mayor en el que las organizaciones podrían ahorrar millones de dólares si se liberaran del criógeno. Con la inversión adecuada en áreas estratégicas como esta, simplificar la infraestructura de medición puede tener un gran impacto ".