تقویتکنندهٔ موجسفر جوزافسون جدید با ایزولاسیون معکوس داخلی
نوشته: اینگرید فادلی، Phys.org
تقویتکنندههای پارامتریک موجسفر (TWPAs) دستگاههای الکترونیکی هستند که سیگنالهای میکروویوی ضعیف را تقویت میکنند (بهعبارت دیگر، امواج الکترومغناطیسی با فرکانسهای معمولاً بین ۱ تا ۱۰۰ GHz). در سالهای اخیر، مهندسان بسیاری بر روی توسعه TWPAs مبتنی بر ابررساناها کار کردهاند؛ موادی که در دماهای بسیار پایین، بدون هیچ مقاومتی، برق را هدایت مینمایند.
TWPAs مبتنی بر ابررسانا میتوانند سیگنالها را با کارایی بالایی پردازش کنند و معمولاً به سیگنالهای تقویتشده نویز کمی اضافه مینمایند. با این حال، طرحهای تقویتکنندههای سنتی فاقد جهتگیری هستند؛ یعنی انرژی الکترومغناطیسی میتواند به سمت عقب، به سمت ورودی، گسترش یابد که عملکرد آنها را بهطرز منفی تحت تأثیر قرار میدهد.
پژوهشگران دانشگاه گرنوبل آلپ، CNRS، Silent Waves و مؤسسه فناوری کارلسروهه بهتازگی یک TWPA جدید مبتنی بر مؤلفههای نانومقیاس ابررسانا به نام پیوندهای جوزافسون توسعه دادند. این دستگاه، که در مقالهای منتشر شده در Nature Electronics معرفی شده است، میتواند امواجی که بهصورت معکوس حرکت میکنند به فرکانسهای بالاتر تبدیل کند و از گسترش معکوس که معمولاً کارایی TWPAs را کاهش میدهد، جلوگیری نماید.
“تقویتکنندههای پارامتریک موجسفر فوقپایدار دستگاههای امیدبخشی برای تقویت پهنای باندی نزدیک به محدودیت کوانتومی هستند و برای خطوط خواندن میکروویوی با بهرهوری کوانتومی بالا ضروریاند،” آرپیت رنادیو، بکم فازلیجی و همکارانشان در مقاله خود نوشتند. “ایزولاسیون داخلی، همراه با بهره، میتواند محدودیت اصلی آنها را برطرف کند: عدم وجود جهتگیری واقعی به دلیل احتمال گسترش معکوس تابش الکترومغناطیسی به درگاه ورودی. ما یک عایقکنندهٔ تقویتکننده پارامتریک موجسفر گزارش میکنیم که بر پایه پیوندهای جوزافسون است.”
بررسی محدودیتهای تقویتکنندههای ابررسانا
تقویتکنندهای که رنادیو، فازلیجی و همکارانشان توسعه دادند بر پایه پیوندهای جوزافسون است. اینها دستگاههای کوچکی هستند که از دو ماده ابررسانا تشکیل شدهاند که توسط یک سد نازک عایق، فلزی یا نیمهرسانا جدا میشوند.
پیوندهای جوزافسون امکان عبور جفتهای الکترونی (یعنی جفتهای کوپر) از طریق خود را فراهم میکنند که از اثرات مکانیک کوانتومی بهره میبرد. اینها معمولاً برای توسعه طیف وسیعی از سیستمها، از جمله رایانههای کوانتومی، تقویتکنندههای میکروویوی و مغناطیسسنجهای حساس بهکار میروند.
TWPA معرفیشده توسط پژوهشگران از پاسخهای غیرخطی پیوندهای جوزافسون نسبت به ورودی برای تقویت سیگنالهای میکروویوی بهره میگیرد. این دستگاه بهویژه از غیرخطیسازی مرتبهٔ سوم و مرتبهٔ دوم، بههمراه یک مکانیزم جفتسازی فاز استفاده میکند.
“این رویکرد از غیرخطیسازی مرتبهٔ سوم برای تقویت و از غیرخطیسازی مرتبهٔ دوم برای ارتقاء فرکانس مودهای گسترش معکوس بهمنظور فراهم کردن ایزولاسیون معکوس استفاده میکند،” رنادیو، فازلیجی و همکاران توضیح دادند. “این فرایندهای پارامتریک، که توسط یک مکانیزم جفتسازی فاز تقویت میشوند، بهرهای تا ۲۰ dB و ایزولاسیون معکوسی تا ۳۰ dB را در باند ثابت ۳ dB بیش از ۵۰۰ MHz ارائه میدهند و نویز افزودهٔ نزدیک به محدودیت کوانتومی را حفظ میکنند.”
کاربردهای ممکن و توسعههای آینده
در آزمونهای اولیه، TWPA جدید توسعهیافته توانست سیگنالهای میکروویوی پیشروی را تا ۲۰ dB تقویت کند. همچنین ایزولاسیون معکوس چشمگیری بهدست آورد که نشان میدهد از گسترش معکوس سیگنالهای میکروویوی و کاهشهای مرتبط با عملکرد جلوگیری میکند.
این عملکرد برجسته نشان میدهد که این دستگاه میتواند برای پیشرفت فناوریهای اطلاعات کوانتومی که به تقویت و حفظ سیگنالهای میکروویوی متکیاند، امیدوارکننده باشد. در آینده، طراحی این تیم میتواند دیگر مهندسان الکترونیک را ترغیب به توسعه تقویتکنندههای مشابه مبتنی بر ابررسانا کند که قادر به کنترل جهت و جریان سیگنالهای کوانتومی هستند.
اطلاعات بیشتر: Arpit Ranadive و همکاران، یک عایقکنندهٔ تقویتکنندهٔ پارامتریک موجسفر، Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01489-w. در arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2406.19752
اطلاعات مجله: Nature Electronics, arXiv