الكابلات المحورية الفائقة التوصيل منخفضة الحرارة

تُعد كابلات التماسية فائقة التوصيل منخفضة الحرارة (LTS Coaxial Cables) "ألياف عصبية" لا غنى عنها في تجارب الفيزياء منخفضة الحرارة جدًا والتكنولوجيات المتقدمة مثل الحوسبة الكمية.

لفهم أفضل لهذه الكابلات، يمكننا دراستها من ثلاث زوايا: هيكلها، ومبادئ عملها، والتحديات الأساسية التي صُممت لحلها.

1. الهيكل الأساسي: لماذا تُسمى "تماسية"؟

هيكلياً، تعتمد الكابلات التماسية فائقة التوصيل منخفضة الحرارة على تكوين تماسي مشابه لكابلات التلفاز التماسية المنزلية التقليدية. لكن المواد والظروف التشغيلية مختلفة جذريًا.

الموصلات الداخلية والخارجية: غالبًا ما تكون مصنوعة من مواد فائقة التوصيل منخفضة الحرارة مثل NbTi (النيوبيوم-التايتنوم).

طبقة العزل (عازل): تقع بين الموصلات الداخلية والخارجية، وعادةً ما يكون العازل مصنوعًا من مادة ذات فقدان عازل منخفض للغاية، مثل مادة PTFE (التيفلون).

بيئة التشغيل: يجب أن يعمل الكابل في درجات حرارة منخفضة جدًا — عادةً أقل من 4.2 كلفن (درجة حرارة الهيليوم السائل). وفي هذه الظروف، تدخل المادة الفائقة التوصيل حالة الصفر مقاومة.

يضمن هذا الهيكل المتمركز نقل إشارات عالية التردد بشكل مستقر مع فقدان ضئيل في الظروف المتجمدة.

2. لماذا تُستخدم المواد الفائقة التوصيل للأسلاك؟

في التجارب الدقيقة مثل التحكم في رقائق كمومية، يجب نقل الإشارات الميكروويفية من بيئة في درجة حرارة الغرفة إلى مرحلة منخفضة الحرارة للغاية (مثلاً 20 ملي كلفن). إذا استُخدمت أسلاك نحاسية تقليدية، تنشأ مشكلتان حرجتان.

تَخفيض الإشارة (فقدان الإشارة): تمتلك المعادن العادية مقاومة كهربائية. أثناء نقل الإشارات عالية التردد، يتم تحويل الطاقة إلى حرارة، مما يؤدي إلى تناقص سعة الإشارة وقد يسبب تشويهًا أو فقدانًا للإشارة.

التوصيل الحراري (تحدي تسرب الحرارة): النحاس ليس فقط موصلًا كهربائيًا جيدًا، بل هو أيضًا موصل حراري ممتاز. يمكن أن تنتقل الحرارة من الجانب ذي درجة الحرارة العادية بسهولة عبر الكابل إلى المنطقة المبردة، ما يضع عبئًا حراريًا كبيرًا على نظام التبريد وقد يؤدي إلى عدم استقرار النظام.

تكمن «السحر» في الكابلات فائقة التوصيل منخفضة الحرارة في انعدام المقاومة الكهربائية وتوصيلها الحراري المنخفض، ما يسمح بنقل إشارات الميكروويف تقريبًا بدون خسائر مع حماية البيئة ذات درجة الحرارة الفائقة الانخفاض بشكل فعال.

3. سيناريوهات التطبيق

الحوسبة الكمومية: تقوم هذه الكابلات بتوصيل إشارات التحكم والقراءة الميكروويفية بدقة إلى الكيوبتات فائقة التوصيل، مما يقلل من الديكوهيرنس الناتج عن الضوضاء الحرارية.

فيزياء الحقول المغناطيسية العالية: في مسرعات الجسيمات وأنظمة التصوير بالرنين المغناطيسي، تضمن الكابلات النحاسية الفائقة التوصيل نقل إشارات عالية التردد بشكل موثوق تحت مجالات مغناطيسية قوية.

استكشاف الفضاء: في الأقمار الصناعية وأنظمة الكشف تحت الحمراء التي تتطلب تبريدًا كريوجينيًا، تساعد هذه الكابلات في الحفاظ على حساسية عالية جدًا مع تقليل الحمل الحراري.

4. الموصلات الفائقة منخفضة الحرارة مقابل الموصلات الفائقة عالية الحرارة

الكابل النحاسي الفائق التوصيل منخفض الحرارة (LTS): تشمل المواد المستخدمة NbTi وNb3Sn، وتعمل عند درجات حرارة أقل من 10 كلفن باستخدام الهيليوم السائل، وتُستخدم أساسًا لنقل الإشارات والقياسات الدقيقة.

الكابل الكهربائي الفائق التوصيل عالي الحرارة (HTS): تشمل المواد المستخدمة YBCO وBSCCO، وتعمل عند درجات حرارة تتراوح بين 65 و77 كلفن باستخدام النيتروجين السائل، وتُستخدم أساسًا لنقل الطاقة بتيار عالٍ.

الاستنتاج

يمكن اعتبار الكابلات المتماسكة الفائقة التوصيل منخفضة الحرارة طرقًا معلوماتية على نطاق صغير بلا خسائر. فهي تضمن نقل إشارات الميكروويف شبه الخالية من الفقد، مع قمع تسرب الحرارة في الأنظمة شديدة الانخفاض في درجة الحرارة.

بفضل الخبرة الطويلة في تقنيات الكابلات عالية التردد والدقيقة، يواصل هوتّن تحسين مواد الموصلات وهياكل العوازل والاستقرار الكلي للكابلات، حيث يوفّر حلول انتقال إشارات موثوقة في درجات الحرارة المنخفضة وعالية التردد للبحوث المتقدمة والتطبيقات الراقية.