Koaksijalni kabeli od niskotemperaturnih supravodiča

Koaksijalni kabeli s niskotemperaturnim superprovodljivim vodičima (LTS koaksijalni kabeli) nezamjenjivi su „neuronski vlaknasti kabeli“ u eksperimentima fizike na izuzetno niskim temperaturama i u naprednim tehnologijama poput kvantnih računala.

Kako bismo bolje razumjeli ove kabele, možemo ih analizirati s tri perspektive: njihove strukture, principa rada i temeljnih izazova koje su namijenjeni riješiti.

1. Temeljna struktura: Zašto se nazivaju „koaksijalnim“?

Strukturno gledano, koaksijalni kabeli s niskotemperaturnim superprovodljivim vodičima imaju koaksijalnu konfiguraciju sličnu uobičajenim kućnim koaksijalnim TV kabelima. Međutim, materijali i uvjeti rada bitno se razlikuju.

Unutarnji i vanjski vodiči: Obično su izrađeni od niskotemperaturnih superprovodljivih materijala poput NbTi (niobij-titan)

Izolacijski sloj (dielektrik): Dielektrik se nalazi između unutarnjeg i vanjskog vodiča, a obično je materijal s iznimno niskim dielektričnim gubicima, poput PTFE-a (Teflona).

Radno okruženje: Kabel mora raditi na iznimno niskim temperaturama – obično ispod 4,2 K (temperatura tekućeg helija). U tim uvjetima superprovodljivi materijal prelazi u stanje bez otpora.

Ova koaksijalna struktura osigurava stabilan prijenos visokofrekventnih signala s minimalnim gubicima u kriogenim uvjetima.

2. Zašto se za kabele koriste superprovodljivi materijali?

U preciznim eksperimentima poput upravljanja kvantnim čipovima, mikrovalni signali moraju se prenositi iz okoline na sobnoj temperaturi do stupnja iznimno niske temperature (npr. 20 mK). Ako se koriste konvencionalni bakreni kabeli, javljaju se dva ključna problema.

Atenuacija signala (gubitak signala): Obični metali imaju električni otpor. Tijekom prijenosa signala visoke frekvencije, energija se pretvara u toplinu, što uzrokuje slabljenje amplitude signala i potencijalno može dovesti do izobličenja ili gubitka signala.

Toplinska vodljivost (izazov prodiranja topline): Bakar je ne samo dobar električni vodič već i odličan toplinski vodič. Toplina s strane na sobnoj temperaturi može lako teći duž kabela u kriogeno područje, stvarajući veliko toplinsko opterećenje za hladnjak i potencijalno uzrokujući nestabilnost sustava.

„Čarolija“ niskotemperaturnih superprovodnih kabela ogleda se u njihovom nultom električnom otporu i niskoj toplinskoj vodljivosti, što omogućuje prijenos mikrovalnih signala gotovo bez gubitaka, istovremeno održavajući ultra-niskotemperaturno okruženje.

3. Scenariji primjene

Kvantno računalstvo: Ovi kabeli točno prenose mikrovalne signale za upravljanje i očitavanje na superprovodne kvantne bitove, minimalizirajući dekoherenciju uzrokovanu toplinskim šumom.

Fizika visokih magnetskih polja: U ubrzivačima čestica i MRI sustavima, nadprovodni koaksijalni kabeli osiguravaju pouzdanu prijenosnu visokofrekventnih signala u jakim magnetskim poljima.

Istraživanje svemira: Na satelitima i infracrvenim detekcijskim sustavima koji zahtijevaju kriogeno hlađenje, ovi kabeli pomažu u održavanju iznimno visoke osjetljivosti uz smanjenje toplinskog opterećenja.

4. Niskotemperaturni supravodiči (LTS) nasuprot visokotemperaturnim supravodičima (HTS)

Niskotemperaturni nadprovodni koaksijalni kabel (LTS): Materijali uključuju NbTi i Nb3Sn, rade na temperaturama ispod 10 K koristeći tekući helij, uglavnom za prijenos signala i precizna mjerenja.

Visokotemperaturni nadprovodni kabel za prijenos energije (HTS): Materijali uključuju YBCO i BSCCO, rade na temperaturama od 65–77 K koristeći tekući dušik, uglavnom za prijenos struje velikih jačina.

Zaključak

Koaksijalni kabeli s niskotemperaturnim superprovodljivostima mogu se smatrati mikroskopskim autocestama za informacije bez gubitaka. Oni osiguravaju prijenos mikrovalnih signala gotovo bez gubitaka, istovremeno sprječavajući curenje topline u sustavima ekstremno niskih temperatura.

S dugogodišnjim iskustvom u tehnologijama visokofrekventnih i preciznih kabela, Hotten nastavlja usavršavati materijale vodiča, dielektrične strukture i ukupnu stabilnost kabela, pružajući pouzdane rješenja za prijenos signala na niskim temperaturama i visokim frekvencijama za napredna istraživanja i visokokvalitetne primjene.