NIST-forskare har tagit fram ett nytt hybridsystem för kylning av supraledande nanotråds-en-fotondetektorer (SNSPD)-viktiga verktyg för många typer av spetsforskning-som är mycket mindre än de som tidigare visats och som eliminerar behovet av konventionella kryogener-t.ex. flytande helium.

SNSPD används i ultrasäker kvantkommunikation, defektanalys av småskaliga integrerade kretsar, laserbaserad ljusdetektering och intervall (LIDAR), och biologisk forskning, bland många andra applikationer. Måtten på en individuell detektor är inte mycket större än bredden på ett människohår. Eftersom de är baserade på supraledande material, de arbetar vid extremt låga temperaturer bara några kelvin över absolut noll.

Historiskt sett den kylningsnivån har vanligtvis uppnåtts med flytande heliumsystem som är dyra, komplicerad, stor, och kräver stor expertis för att driva och underhålla säkert. Under de senaste åren har Det har blivit ett växande intresse över hela världen för att hitta alternativ. NIST -arbetet är en milstolpe i det arbetet.

"SNSPD:er skulle kunna användas mycket bredare om en kompakt, lågeffektkylsystem fanns tillgängligt, "säger NIST -fysikern Sae Woo Nam, som utvecklade den nya metoden med NIST -kollegorna Vincent Kotsubo, Joel Ullom, och andra.

"När vi började vårt arbete, inget sådant system fanns, "Nam säger." Det närmaste var en enhet som är ungefär lika stor som en varmvattenberedare som drar 1,5 kilowatt effekt. Det är onödigt högt. Även om vi behöver kyla SNSPD:erna till mycket låga temperaturer, storleken och arten av enheterna är sådana att värmemängden som ska tas bort är ganska liten - i närheten av några hundra mikrovatt. "

Lagets prototyp svalare, kör, kontrollelektronik och instrumentering är 0,31 m hög och 0,61 m lång. När allt konstruktionsarbete är klart, forskarna tror att det enkelt kommer att passa i ett standardelektronikställ. Dess effektbehov är cirka 250 watt.

"Detta arbete överensstämmer också med ett av NIST:s mål - utvecklingen av" osynliga "kryogena system, "säger Kotsubo, systemets ledande designer. "Det är, de är inte bara fysiskt små och kräver låg effekt, men de är praktiskt taget 'black box' -enheter - användarna måste bara slå på det och det fungerar. Det kommer att hjälpa till att övervinna en gemensam psykologisk barriär om att kryogenik är tekniskt svårt och farligt. "

NIST -teamets nuvarande prototypenhet, beskrivs i IEEE -transaktioner om tillämpad supraledning , går långt mot det målet. Den förlitar sig på ett hybridkylsystem som består av en Joule-Thomson kryokylare (JT) och ett pulskylskåp (PTR). Båda delar några gemensamma element med kylsystemet i ett hemkylskåp:En gas komprimeras omväxlande och får sedan expandera, tappar termisk energi till en växlare som tar bort värme från systemet. Systemet är helt stängt. "Vi recirkulerar gasen kontinuerligt, komprimera den och komprimera den igen, "Säger Kotsubo.

PTR kan nå temperaturer så låga som 10 K.Den används för förkylning av JT, som kan nå under 2 K. SNSPD:er har krävda driftstemperaturer i intervallet 1 K - 2 K.

"Vi krymper saker till en skala där det inte finns några tekniska tumregler för att hjälpa dig i designen, eller bestämma vilket material som ska användas, "Nam säger." Bara en handfull människor har gjort något arbete på detta område. Allt är specialtillverkat utom kompressorerna. Vi försöker komma på en design som faktiskt kan tillverkas. "

Den ursprungliga planeringen stöddes av National Security Agency, som har ett pågående intresse för småskaliga, bärbar telekommunikationsapparat. "De ville ha en pappersstudie, "Nam säger, "och Vince gjorde det. Det såg ut som om vi faktiskt kunde bygga något, så NSA finansierade den första delen av att bygga prototypen. "

Projektet - som fortfarande är i ett tidigt skede - får nu finansiering under ett kooperativt forsknings- och utvecklingsavtal (CRADA) med ett Michiganföretag som heter Quantum Opus, som förväntar sig så småningom att kommersialisera tekniken. Företaget stöds av ett Small Business Innovation Research -bidrag från Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

Grundaren av Quantum Opus, fysikern Aaron Miller, tror att "detta kommer att vara det minsta, lägsta effekt kontinuerligt fungerande kryogena system som kan nå mindre än 2 kelvin. Helst skulle det kunna flytta experiment som vanligtvis skulle knytas till en högspänningskontakt och vattenkylningssystem till mer mobila miljöer som flygplan och telekommunikationsdataskåp. Som med många DARPA -projekt, applikationerna är inte helt kända ännu. Men förhoppningsvis kommer existensen av detta system att få människor att intressera sig för nya applikationer som man tidigare trodde var omöjliga. "

"Jag är upphetsad över det långsiktiga målet att göra kryogenik osynlig för slutanvändaren, "Nam säger." På så sätt kan människor fokusera på problemen de försöker lösa istället för att lägga mycket tid på komplicerade kylsystem.

"Detta är en del av en större insats där organisationer kan spara miljoner dollar genom att bli kryogenfria. Med rätt investering i strategiska områden som detta, att förenkla mätinfrastrukturen kan ha en enorm inverkan. "