Cables Coaxiales Superconductores de Baja Temperatura

Los Cables Coaxiales Superconductores de Baja Temperatura (Cables Coaxiales LTS) son «fibras nerviosas» indispensables en experimentos de física a temperaturas ultra bajas y en tecnologías avanzadas como la computación cuántica.

Para comprender mejor estos cables, podemos examinarlos desde tres perspectivas: su estructura, sus principios de funcionamiento y los desafíos fundamentales que están diseñados para resolver.

1. Estructura principal: ¿Por qué se llama "coaxial"?

Estructuralmente, los cables coaxiales superconductores de baja temperatura adoptan una configuración coaxial similar a la de los cables coaxiales convencionales para televisión doméstica. Sin embargo, los materiales y las condiciones de operación son fundamentalmente diferentes.

Conductores interno y externo: Estos generalmente están hechos de materiales superconductores de baja temperatura, como NbTi (Niobio-Titanio).

Capa aislante (dieléctrico): Situada entre los conductores interno y externo, el dieléctrico suele ser un material con pérdidas dieléctricas extremadamente bajas, como el PTFE (Teflón).

Entorno de operación: El cable debe funcionar a temperaturas extremadamente bajas, generalmente por debajo de 4,2 K (la temperatura del helio líquido). Bajo estas condiciones, el material superconductor entra en un estado de resistencia cero.

Esta estructura coaxial garantiza la transmisión estable de señales de alta frecuencia con mínimas pérdidas en condiciones criogénicas.

2. ¿Por qué utilizar materiales superconductores para cables?

En experimentos de precisión como el control de chips cuánticos, las señales de microondas deben transmitirse desde un entorno a temperatura ambiente hasta una etapa de temperatura ultra baja (por ejemplo, 20 mK). Si se utilizan cables convencionales de cobre, surgen dos problemas críticos.

Atenuación de la señal (pérdida de señal): Los metales ordinarios tienen resistencia eléctrica. Durante la transmisión de señales de alta frecuencia, la energía se convierte en calor, lo que provoca una disminución en la amplitud de la señal y posiblemente distorsión o pérdida de la señal.

Conducción térmica (desafío de fuga de calor): El cobre no solo es un buen conductor eléctrico, sino también un excelente conductor térmico. El calor del lado a temperatura ambiente puede fluir fácilmente a lo largo del cable hacia la región criogénica, generando una carga térmica elevada en el sistema de refrigeración y posiblemente causando inestabilidad del sistema.

La "magia" de los cables superconductores de baja temperatura radica en su resistencia eléctrica cero y su baja conductividad térmica, lo que permite transmitir señales de microondas casi sin pérdidas mientras protege eficazmente el entorno de ultra baja temperatura.

3. Escenarios de aplicación

Computación cuántica: Estos cables entregan señales de control y lectura de microondas con precisión a los qubits superconductores, minimizando la decoherencia causada por el ruido térmico.

Física de campos magnéticos elevados: En aceleradores de partículas y sistemas de resonancia magnética, los cables coaxiales superconductores garantizan una transmisión confiable de señales de alta frecuencia bajo campos magnéticos intensos.

Exploración espacial: En satélites y sistemas de detección infrarroja que requieren enfriamiento criogénico, estos cables ayudan a mantener una sensibilidad extremadamente alta mientras reducen la carga térmica.

4. Superconductores de baja temperatura (LTS) vs. Superconductores de alta temperatura (HTS)

Cable coaxial superconductor de baja temperatura (LTS): Los materiales incluyen NbTi y Nb3Sn, operan por debajo de 10 K utilizando helio líquido, principalmente para transmisión de señales y mediciones de precisión.

Cable de potencia superconductor de alta temperatura (HTS): Los materiales incluyen YBCO y BSCCO, operan a 65–77 K utilizando nitrógeno líquido, principalmente para transmisión de energía con corriente elevada.

Conclusión

Los cables coaxiales superconductores de baja temperatura pueden considerarse autopistas microscópicas de información sin pérdidas. Garantizan la transmisión de señales de microondas casi sin pérdidas, a la vez que suprimen la fuga de calor en sistemas de temperatura ultra baja.

Con una amplia experiencia en tecnologías de cables de alta frecuencia y precisión, Hotten continúa perfeccionando los materiales conductores, las estructuras dieléctricas y la estabilidad general del cable, ofreciendo soluciones fiables de transmisión de señales de alta frecuencia y baja temperatura para investigaciones avanzadas y aplicaciones de alto nivel.