Cablu coaxial suprconductiv cu temperatură scăzută

Cablurile coaxiale suprconductive la temperatură scăzută (LTS Coaxial Cables) sunt „fibre nervoase” indispensabile în experimentele de fizică la temperaturi extrem de scăzute și în tehnologii de ultimă generație precum calculul cuantic.

Pentru a înțelege mai bine aceste cabluri, le putem analiza din trei perspective: structura lor, principiile de funcționare și provocările fundamentale pe care sunt concepute să le rezolve.

1. Structura principală: De ce se numește „coaxial”?

Din punct de vedere structural, cablurile coaxiale suprconductive la temperatură scăzută adoptă o configurație coaxială asemănătoare cablurilor TV coaxiale casnice obișnuite. Totuși, materialele și condițiile de funcționare sunt fundamental diferite.

Conductoare interioare și exterioare: Acestea sunt realizate în mod tipic din materiale suprconductive la temperatură scăzută, cum ar fi NbTi (Niob-Titan)

Stratul de izolare (dielectric): Situat între conductorii interior și exterior, dielectricul este de obicei un material cu pierderi dielectrice extrem de scăzute, cum ar fi PTFE (Teflon).

Mediul de funcționare: Cablul trebuie să funcționeze la temperaturi extrem de scăzute — de regulă sub 4,2 K (temperatura heliului lichid). În aceste condiții, materialul superconductor intră într-o stare fără rezistență.

Această structură coaxială asigură o transmisie stabilă a semnalelor de înaltă frecvență cu pierderi minime în condiții criogenice.

2. De ce se utilizează materiale superconductoare pentru cabluri?

În experimente de precizie, cum ar fi controlul cipurilor cuantice, semnalele de microunde trebuie transmise dintr-un mediu la temperatura camerei până la o etapă cu temperatură ultra-scăzută (de exemplu, 20 mK). Dacă se folosesc cabluri convenționale din cupru, apar două probleme critice.

Atenuarea semnalului (pierderea semnalului): Metalele obișnuite au rezistență electrică. În timpul transmisiei semnalului de înaltă frecvență, energia este transformată în căldură, determinând declinul amplitudinii semnalului și, în mod potențial, ducând la distorsionarea sau pierderea semnalului.

Conducţie termică (problema de scurgere a căldurii): Cuprul nu este doar un bun conductor electric, ci şi un excelent conductor termic. Căldura de la temperatura camerei poate curge cu ușurință de-a lungul cablului în regiunea criogenică, punând o sarcină termică grea asupra sistemului de refrigerare și provocând potențial instabilitatea sistemului.

Magia cablurilor supraconductoare la temperaturi scăzute constă în rezistența electrică zero și conductivitatea termică scăzută, permițând transmiterea semnalelor cu microunde fără pierderi aproape, protejând în același timp în mod eficient mediul de temperatură ultra scăzută.

3. Scenarii de aplicare

Calculatoarele cuantice: Aceste cabluri furnizează semnale de control și citire cu microunde cu precizie la qubiturile superconductoare, reducând la minimum decoerența cauzată de zgomotul termic.

Fizica câmpurilor magnetice înalte: În acceleratoarele de particule și sistemele MRI, cablurile coaxiale suprconductoare asigură o transmisie fiabilă a semnalelor de înaltă frecvență în condiții de câmp magnetic puternic.

Explorarea spațiului: În sateliți și sistemele de detecție infraroșu care necesită răcire criogenică, aceste cabluri contribuie la menținerea unei sensibilități extrem de ridicate, reducând în același timp sarcina termică.

4. Supraconductori la temperaturi joase (LTS) vs. Supraconductori la temperaturi înalte (HTS)

Cablu coaxial supraconductor la temperatură joasă (LTS): Materialele includ NbTi și Nb3Sn, funcționând sub 10 K folosind heliu lichid, utilizat în principal pentru transmiterea semnalelor și măsurători de precizie.

Cablu electric supraconductor la temperatură înaltă (HTS): Materialele includ YBCO și BSCCO, funcționând la 65–77 K folosind azot lichid, utilizat în principal pentru transmisia de energie cu curent înalt.

Concluzie

Cablurile coaxiale superconductoare la temperatură joasă pot fi considerate autostrăzi microscopice de informații fără pierderi. Ele asigură o transmisie aproape fără pierderi a semnalelor în microunde, în același timp suprimând scurgerea termică în sistemele la temperatură extrem de scăzută.

Beneficiind de o experiență pe termen lung în tehnologiile de cabluri de înaltă frecvență și precizie, Hotten continuă să perfecționeze materialele conductoare, structurile dielectrice și stabilitatea generală a cablurilor, oferind soluții fiabile de transmisie a semnalelor la temperatură joasă și înaltă frecvență pentru cercetări avansate și aplicații de înaltă gamă.