Коаксиальные кабели с низкотемпературной сверхпроводимостью

Сверхпроводящие коаксиальные кабели с низкотемпературной сверхпроводимостью (LTS Coaxial Cables) являются незаменимыми «нервными волокнами» в экспериментах по физике ультранизких температур и передовых технологиях, таких как квантовые вычисления.

Чтобы лучше понять эти кабели, можно рассмотреть их с трех точек зрения: структура, принцип работы и основные задачи, для решения которых они предназначены.

1. Основная структура: Почему их называют «коаксиальными»?

Конструктивно низкотемпературные сверхпроводящие коаксиальные кабели имеют коаксиальную конфигурацию, аналогичную обычным бытовым коаксиальным телевизионным кабелям. Однако материалы и условия эксплуатации кардинально различаются.

Внутренний и внешний проводники: Обычно изготавливаются из низкотемпературных сверхпроводящих материалов, таких как NbTi (ниобий-титан).

Слой изоляции (диэлектрик): расположен между внутренним и внешним проводниками, обычно представляет собой материал с крайне низкими диэлектрическими потерями, например, фторопласт (тефлон).

Условия эксплуатации: кабель должен работать при чрезвычайно низких температурах — обычно ниже 4,2 К (температура жидкого гелия). При таких условиях сверхпроводящий материал переходит в состояние с нулевым сопротивлением.

Такая коаксиальная структура обеспечивает стабильную передачу высокочастотных сигналов с минимальными потерями в криогенных условиях.

2. Почему для кабелей используются сверхпроводящие материалы?

В точных экспериментах, таких как управление квантовыми чипами, микроволновые сигналы необходимо передавать из среды с комнатной температурой в сверхнизкотемпературную среду (например, 20 мК). При использовании обычных медных кабелей возникают две критические проблемы.

Ослабление сигнала (потеря сигнала): Обычные металлы обладают электрическим сопротивлением. При передаче высокочастотных сигналов энергия преобразуется в тепло, что приводит к затуханию амплитуды сигнала и может вызвать искажение или потерю сигнала.

Теплопроводность (проблема тепловых утечек): Медь является не только хорошим электрическим проводником, но и отличным теплопроводником. Тепло от стороны при комнатной температуре может легко распространяться вдоль кабеля в криогенную зону, создавая значительную тепловую нагрузку на систему охлаждения и потенциально вызывая нестабильность системы.

«Магия» низкотемпературных сверхпроводящих кабелей заключается в их нулевом электрическом сопротивлении и низкой теплопроводности, что позволяет передавать микроволновые сигналы практически без потерь и эффективно защищать среду с ультранизкой температурой.

3. Сценарии применения

Квантовые вычисления: Эти кабели точно передают микроволновые управляющие и считываемые сигналы к сверхпроводящим кубитам, минимизируя декогеренцию, вызванную тепловыми шумами.

Физика сильных магнитных полей: в ускорителях частиц и системах МРТ сверхпроводящие коаксиальные кабели обеспечивают надежную передачу высокочастотных сигналов в условиях сильных магнитных полей.

Освоение космоса: в спутниках и инфракрасных системах обнаружения, требующих криогенного охлаждения, эти кабели помогают сохранять чрезвычайно высокую чувствительность при снижении тепловой нагрузки.

4. Низкотемпературные сверхпроводники (НТС) против высокотемпературных сверхпроводников (ВТС)

Низкотемпературный сверхпроводящий коаксиальный кабель (НТС): материалы включают NbTi и Nb3Sn, работают ниже 10 К с использованием жидкого гелия, в основном для передачи сигналов и прецизионных измерений.

Высокотемпературный сверхпроводящий силовой кабель (ВТС): материалы включают YBCO и BSCCO, работают при температуре 65–77 К с использованием жидкого азота, в основном для передачи электрического тока высокой мощности.

Заключение

Коаксиальные кабели с низкотемпературной сверхпроводимостью можно рассматривать как информационные магистрали микроскопического масштаба без потерь. Они обеспечивают передачу микроволновых сигналов почти без потерь, одновременно подавляя утечку тепла в системах с экстремально низкими температурами.

Обладая многолетним опытом в технологиях высокочастотных и прецизионных кабелей, компания Hotten продолжает совершенствовать материалы проводников, диэлектрические структуры и общую стабильность кабелей, обеспечивая надёжные решения для передачи сигналов в условиях низких температур и на высоких частотах для передовых исследований и высокотехнологичных применений.