Os cientistas do NIST desenvolveram um novo sistema híbrido para resfriar detectores de fóton único nanofio supercondutor (SNSPD) - ferramentas essenciais para muitos tipos de pesquisa de ponta - que é muito menor do que aqueles demonstrados anteriormente e que elimina a necessidade de criogênios convencionais - como hélio líquido.

SNSPDs são utilizados em comunicações quânticas ultra-seguras, análise de defeitos de circuitos integrados de pequena escala, detecção e alcance de luz baseada em laser (LIDAR), e pesquisa biológica, entre muitas outras aplicações. As dimensões de um detector individual não são muito maiores do que a largura de um fio de cabelo humano. Por serem baseados em materiais supercondutores, eles operam em temperaturas extremamente baixas, apenas alguns Kelvin acima do zero absoluto.

Historicamente, esse nível de resfriamento foi normalmente alcançado com sistemas de hélio líquido que são caros, complicado, ampla, e exigem especialização considerável para operar e manter com segurança. Nos últimos anos, tem havido um crescente interesse mundial em encontrar alternativas. O trabalho do NIST é um marco nesse esforço.

"SNSPDs poderiam ser implantados de forma muito mais ampla se um compacto, sistema de resfriamento de baixa potência estava disponível, "diz o físico do NIST Sae Woo Nam, que desenvolveu o novo método com os colegas do NIST Vincent Kotsubo, Joel Ullom, e outros.

“Quando começamos nosso trabalho, tal sistema não existia, “Diz Nam.“ A coisa mais próxima disso era um dispositivo do tamanho de um aquecedor de água que consome 1,5 quilowatts de energia. Isso é desnecessariamente alto. Embora precisemos resfriar os SNSPDs a temperaturas muito baixas, o tamanho e a natureza dos dispositivos são tais que a quantidade de calor a ser removida é muito pequena - em torno de algumas centenas de microwatts. "

O protótipo do cooler da equipe, dirigir, a eletrônica de controle e a instrumentação têm 0,31 m de altura e 0,61 m de comprimento. Quando todo o trabalho de engenharia estiver concluído, os cientistas acreditam que ele caberá facilmente em um rack eletrônico padrão. Sua demanda de energia é de cerca de 250 watts.

"Este trabalho também está de acordo com um dos objetivos do NIST - o desenvolvimento de sistemas criogênicos 'invisíveis', "diz Kotsubo, o designer-chefe do sistema. "Isso é, eles não são apenas fisicamente pequenos e requerem baixo consumo de energia, mas eles são dispositivos praticamente de 'caixa preta' - os usuários só precisam ligá-lo e ele funciona. Isso ajudará a superar uma barreira psicológica comum de que a criogenia é tecnicamente difícil e perigosa. "

O dispositivo protótipo atual da equipe do NIST, descrito em Transações IEEE em supercondutividade aplicada , percorre um longo caminho em direção a esse objetivo. Ele se baseia em um sistema de resfriamento híbrido composto por um crioolerador Joule-Thomson (JT) e um refrigerador de tubo de pulso (PTR). Ambos compartilham alguns elementos comuns com o sistema de resfriamento em uma geladeira doméstica:um gás é comprimido alternadamente e, em seguida, pode se expandir, derramar energia térmica para um trocador que remove o calor do sistema. O sistema está completamente fechado. "Nós recirculamos o gás continuamente, compactá-lo e recompactá-lo, "Kotsubo diz.

O PTR pode atingir temperaturas tão baixas quanto 10 K. Ele é usado para pré-resfriar o JT, que pode atingir abaixo de 2 K. SNSPDs têm temperaturas de operação exigidas na faixa de 1 K - 2 K.

"Estamos reduzindo as coisas a uma escala em que não haja nenhuma regra de engenharia para ajudar a orientá-lo no projeto, ou decidir quais materiais usar, "Nam diz." Apenas um punhado de pessoas fez algum trabalho nesta área. Tudo é feito sob medida, exceto os compressores. Estamos tentando criar um design que possa realmente ser fabricado. "

O planejamento inicial foi apoiado pela Agência de Segurança Nacional, que tem um interesse contínuo em pequena escala, aparelhos portáteis de telecomunicações. "Eles queriam um estudo de papel, "Nam diz, "e Vince fez isso. Parecia que poderíamos realmente construir algo, então a NSA financiou a parte inicial da construção do protótipo. "

O projeto - que ainda está nos estágios iniciais - agora recebe financiamento sob um acordo cooperativo de pesquisa e desenvolvimento (CRADA) com uma empresa de Michigan chamada Quantum Opus, que espera eventualmente comercializar a tecnologia. A empresa é apoiada por uma bolsa de pesquisa para inovação em pequenas empresas da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA).

O fundador da Quantum Opus, físico Aaron Miller, acredita que "este será o menor, sistema criogênico de operação contínua de menor potência, capaz de atingir menos de 2 kelvins. Idealmente, ele poderia mover experimentos que normalmente seriam ligados a uma tomada de parede de alta tensão e sistema de refrigeração de água para ambientes mais móveis, como aeronaves e armários de dados de telecomunicações. Tal como acontece com muitos projetos DARPA, as aplicações ainda não são totalmente conhecidas. Mas, com sorte, a existência desse sistema fará com que as pessoas se interessem por novos aplicativos que antes eram considerados impossíveis. "

"Estou entusiasmado com o objetivo de longo prazo de tornar a criogenia invisível para o usuário final, "Nam diz." Dessa forma, as pessoas podem se concentrar nos problemas que estão tentando resolver, em vez de gastar muito tempo em sistemas de resfriamento complicados.

"Isso é parte de um esforço maior no qual as organizações poderiam economizar milhões de dólares se tornando livres do criogenia. Com o investimento certo em áreas estratégicas como esta, simplificar a infraestrutura de medição pode ter um grande impacto. "