כבלים קואקסיאליים בעלי מוליכות על-נמוכה בטמפרטורות נמוכות

כבלים קואקסיילים עם מוליכות על-נמוכת טמפרטורה (LTS Coaxial Cables) הם 'סיבי עצב' חיוניים בניסויי פיזיקה בטמפרטורות נמוכות במיוחד ובטכנולוגיות מתקדמות כמו حوسبة קוונטית.

כדי להבין טוב יותר את הכבלים האלה, ניתן לבחון אותם משלושה שלדים: המבנה שלהם, עקרונות הפעולה שלהם, והאתגרים הבסיסיים שהם נועדו לפתור.

1. מבנה ליבה: למה נקרא זה "קואaksiלי"?

מבני, כבלים קואaksiיליים עם מוליכות על-נמוכת טמפרטורה משתמשים בתצורה קואaksiילית הדומה לכבלים טלוויזיה קואaksiיליים ביתניים רגילים. עם זאת, החומרים והתנאים التش_operטיים שונים בצורה יסודית.

מוליכים פנימיים וחיצוניים: בדרך כלל מיוצרים מחומרי מוליכות על בטמפרטורות נמוכות כגון NbTi (Niobium-Titanium).

שכבת בידוד (דיאלקטרית): ממוקמת בין המוליכים הפנימיים והחיצוניים, הדיאלקטרית היא בדרך כלל חומר עם איבוד דיאלקטרי נמוך ביותר, כגון PTFE (טפלון).

סביבה פעילה: הכבל חייב לפעול בטמפרטורות נמוכות במיוחד – בדרך כלל מתחת ל-4.2 K (טמפרטורת ההליום הנוזלי). בתנאים אלו, החומר על-מוליך נכנס למצב של התנגדות אפס.

המבנה הקואקסיאלי מבטיח העברה יציבה של אותות תדר גבוה עם איבוד מינימלי בתנאי קור קיצוני.

2. למה להשתמש בחומרים על-מוליכים עבור כבלים?

בניסויים מדוייקים כגון בקרת שבב קוונטי, יש להעביר אותות מיקרוגל מהסביבה בטמפרטורת החדר אל שלב טמפרטורה נמוכה במיוחד (למשל, 20 mK). אם משתמשים בכבלים נחושת קונבנציונליים, נוצרים שני בעיות קריטיות.

דעיכת אות (אובדן אות): למתכות רגילות יש התנגדות חשמלית. במהלך העברת אותות בתדר גבוה, האנרגיה מומרת לחום, מה שגורם לדעיכת עוצמת האות ואף יכול להוביל לעיוות או איבוד האות.

הולכת חום (אתגר של דליפת חום): נחושת היא לא רק מוליכה טובה של חשמל, אלא גם מוליכה מצוינת של חום. חום מהצד בטמפרטורת החדר יכול בקלות לזרום לאורך הכבל אל האזור הקריוגני, מה שיוצר עומס תרמי כבד על מערכת הקירור ועשוי לגרום בלתי יציבות במערכת.

ה"קסם" של כבלי על-מוליכות בטמפרטורות נמוכות נמצא בהתנגדות החשמלית האפסית והולכות החום הנמוכה שלהם, המאפשרים העברת אותות מיקרוגל כמעט ללא איבודים, תוך הגנה יעילה על הסביבה בטמפרטורה הנמוכה ביותר.

3. תרחישי יישום

חישוב קוונטי: כבלים אלו מספקים אותות בקרה וקריאת מיקרוגל בצורה מדויקת לקיוביטים על-מוליכים, ובכך מפחיתים עד כמה שניתן את היערעות שנגרמת מרעש תרמי.

פיזיקת שדות מגנטיים גבוהים: במאיצי חלקיקים ובמערכות MRI, כבלים קואקסיאליים מוגברים מבטיחים העברת אותות בתדר גבוה בצורה אמינה תחת שדות מגנטיים חזקים.

חקר החלל: בסatelites ובמערכות זיהוי תת-אדומות הדורשות קירור קריו, הכבלים הללו עוזרים לשמור על רגישות גבוהה במיוחד תוך הפחתת עומס תרמי.

4. מוליכי על בטמפרטורה נמוכה (LTS) לעומת מוליכי על בטמפרטורה גבוהה (HTS)

כבל קואקסיאלי מוסך בטמפרטורה נמוכה (LTS): החומרים כוללים NbTi ו-Nb3Sn, פועלים מתחת ל-10 K בעזרת הליום נוזלי, בעיקר להעברת אותות ולמדידות מדויקות.

כבל הספק מוסך בטמפרטורה גבוהה (HTS): החומרים כוללים YBCO ו-BSCCO, פועלים בטווח 65–77 K בעזרת חנקן נוזלי, בעיקר להעברת הספק בזרם גבוה.

סיכום

כבלים קואקסיאליים בעלי מוליכות עליונה בטמפרטורות נמוכות יכולים להיחשב ככבישים מיקרוסקופיים לאפס איבוד מידע. הם מבטיחים העברת אותות מיקרוגל כמעט ללא איבוד, ובמקביל מדכאים דליפת חום במערכות בטמפרטורות נמוכות במיוחד.

בזכות ניסיון רב שנותר בטכנולוגיות כבלים בתדר גבוה ובמדויק, Hotten ממשיכה לשפר חומרי מוליך, מבני דיאלקטריק ויציבות כללית של הכבל, ומספקת פתרונות מהימנים להעברת אותות בתדר גבוה ובטמפרטורות נמוכות ליישומים מתקדמים ולמחקר מתקדם.