Laagtemperatuur-supergeleidende coaxkabels

Coaxiale kabels met lage temperatuur supergeleiding (LTS-coaxkabels) zijn onmisbare 'zenuwvezels' in fysica-experimenten bij extreem lage temperaturen en in geavanceerde technologieën zoals kwantumcomputing.

Om deze kabels beter te begrijpen, kunnen we ze vanuit drie gezichtspunten bekijken: hun structuur, hun werking en de fundamentele uitdagingen die ze moeten oplossen.

1. Kernstructuur: Waarom wordt het 'coaxiaal' genoemd?

Structureel gebruiken coaxiale kabels met lage temperatuur supergeleiding een coaxiale opstelling, vergelijkbaar met conventionele huishoudelijke coaxiale tv-kabels. De materialen en bedrijfsomstandigheden verschillen echter fundamenteel.

Binnen- en buitenleiders: Deze worden meestal gemaakt van supergeleidende materialen bij lage temperatuur, zoals NbTi (Niobium-Titaan).

Isolatielaag (dielektricum): Gelegen tussen de binnen- en buitengeleider, is het dielektricum meestal een materiaal met extreem lage dielektrische verliezen, zoals PTFE (Teflon).

Bedrijfomgeving: De kabel moet functioneren bij extreem lage temperaturen — meestal onder de 4,2 K (de temperatuur van vloeibaar helium). Onder deze omstandigheden gaat het supergeleidende materiaal over in een toestand zonder weerstand.

Deze coaxiale structuur zorgt voor een stabiele overdracht van hoogfrequente signalen met minimale verliezen onder cryogene omstandigheden.

2. Waarom supergeleidende materialen gebruiken voor kabels?

Bij precisie-experimenten zoals de aansturing van kwantumchips moeten microgolfsignalen worden getransporteerd van een omgeving met kamertemperatuur naar een ultralage temperatuurfase (bijvoorbeeld 20 mK). Als er conventionele koperkabels worden gebruikt, treden twee kritieke problemen op.

Signaalverzwakking (signaalverlies): Gewone metalen hebben elektrische weerstand. Tijdens de transmissie van signalen met hoge frequentie wordt energie omgezet in warmte, wat leidt tot een afname van de signaalamplitude en mogelijk signaalvervorming of -verlies.

Warmtegeleiding (uitdaging van warmtelekkage): Koper is niet alleen een goede elektrische geleider, maar ook een uitstekende thermische geleider. Warmte van de zijde met kamertemperatuur kan gemakkelijk via de kabel doordringen naar het cryogene gebied, wat een zware thermische belasting vormt voor het koelsysteem en mogelijk systeemonstabiliteit veroorzaakt.

De 'magie' van laagtemperatuur supergeleidende kabels ligt in hun nul elektrische weerstand en lage warmtegeleidingsvermogen, waardoor microgolfsignalen bijna verliesvrij kunnen worden getransporteerd terwijl het ultralage temperatuurmilieu effectief wordt beschermd.

3. Toepassingsscenario's

Kwantumcomputing: Deze kabels leveren microgolfbedienings- en uitleessignalen nauwkeurig aan supergeleidende qubits, waarbij decoherentie door thermisch ruis wordt geminimaliseerd.

Hoog-magnetisch veld fysica: In deeltjesversnellers en MRI-systemen zorgen supergeleidende coaxkabels voor betrouwbare hoogfrequente signaaloverdracht onder invloed van sterke magnetische velden.

Ruimteverkenning: In satellieten en infrarood detectiesystemen die cryogene koeling vereisen, helpen deze kabels om een uiterst hoge gevoeligheid te behouden terwijl de thermische belasting wordt verlaagd.

4. Lage-temperatuur supergeleiders (LTS) versus hoge-temperatuur supergeleiders (HTS)

Coaxkabel met lage-temperatuur supergeleiding (LTS): Materialen zijn onder andere NbTi en Nb3Sn, werken onder de 10 K met vloeibaar helium, voornamelijk gebruikt voor signaaloverdracht en precisiemeting.

Supergeleidende vermogenskabel met hoge temperatuur (HTS): Materialen zijn onder andere YBCO en BSCCO, werken bij 65–77 K met vloeibare stikstof, voornamelijk gebruikt voor hoogstroom vermogenstransmissie.

Conclusie

Laagtemperatuur supergeleidende coaxkabels kunnen worden beschouwd als verliesvrije microschaal informatiesnelwegen. Ze zorgen voor bijna verliesvrije transmissie van microgolfsignalen terwijl ze warmtelekken onderdrukken in ultra-lage temperatuursystemen.

Met jarenlange ervaring in hoogfrequente en precisiekabeltechnologieën blijft Hotten geleidermaterialen, diëlektrische structuren en de algehele kabelstabiliteit verbeteren, waardoor betrouwbare oplossingen voor laagtemperatuur- en hoogfrequentsignaaltransmissie worden geboden voor geavanceerd onderzoek en high-end toepassingen.