สายเคเบิลโคแอกเชียลซุปเปอร์คอนดักติ้งอุณหภูมิต่ำ

สายเคเบิลโคแอกเชียลซูเปอร์คอนดักเตอร์อุณหภูมิต่ำ (LTS Coaxial Cables) เป็น 'เส้นใยประสาท' ที่ขาดไม่ได้ในการทดลองฟิสิกส์อุณหภูมิต่ำสุดและเทคโนโลยีขั้นสูง เช่น การประมวลผลควอนตัม

เพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับสายเคเบิลเหล่านี้ เราสามารถพิจารณาได้จากสามมุมมอง ได้แก่ โครงสร้าง หลักการทำงาน และปัญหาพื้นฐานที่ถูกออกแบบมาเพื่อแก้ไข

1. โครงสร้างหลัก: ทำไมจึงเรียกว่า "โคแอกเชียล"

ในเชิงโครงสร้าง สายเคเบิลโคแอกเชียลซูเปอร์คอนดักเตอร์อุณหภูมิต่ำใช้รูปแบบโคแอกเชียลคล้ายกับสาย TV โคแอกเชียลทั่วไปที่ใช้ในบ้าน อย่างไรก็ตาม วัสดุและสภาพการใช้งานมีความแตกต่างกันโดยสิ้นเชิง

ตัวนำชั้นในและชั้นนอก: โดยทั่วไปทำจากวัสดุซูเปอร์คอนดักเตอร์อุณหภูมิต่ำ เช่น NbTi (ไนโอเบียม-ไทเทเนียม)

ชั้นฉนวน (ไดอิเล็กทริก): ตั้งอยู่ระหว่างตัวนำด้านในและด้านนอก ไดอิเล็กทริกมักเป็นวัสดุที่มีการสูญเสียพลังงานต่ำมาก เช่น PTFE (เทฟลอน)

สภาพแวดล้อมในการทำงาน: สายเคเบิลต้องทำงานที่อุณหภูมิต่ำมาก—โดยทั่วไปต่ำกว่า 4.2 K (อุณหภูมิของฮีเลียมเหลว) ในสภาวะนี้ วัสดุซูเปอร์คอนดักเตอร์จะเข้าสู่สถานะที่ไม่มีความต้านทาน

โครงสร้างแบบโคแอ็กเซียลนี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการส่งสัญญาณความถี่สูงอย่างมั่นคง โดยมีการสูญเสียน้อยที่สุดภายใต้สภาวะคริโอเจนิก

2. เหตุใดจึงใช้วัสดุซูเปอร์คอนดักเตอร์สำหรับสายเคเบิล?

ในการทดลองที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น การควบคุมชิปควอนตัม สัญญาณไมโครเวฟจำเป็นต้องถูกส่งจากสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิห้องลงไปยังขั้นตอนที่มีอุณหภูมิต่ำมาก (ตัวอย่างเช่น 20 mK) หากใช้สายเคเบิลทองแดงแบบทั่วไป จะเกิดปัญหาสำคัญสองประการ

การลดทอนสัญญาณ (การสูญเสียสัญญาณ): โลหะทั่วไปมีความต้านทานไฟฟ้า ในระหว่างการส่งสัญญาณความถี่สูง พลังงานจะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อน ทำให้แอมพลิจูดของสัญญาณลดลง และอาจก่อให้เกิดการบิดเบือนหรือสูญเสียสัญญาณ

การนำความร้อน (ความท้าทายจากการรั่วของความร้อน): ทองแดงไม่เพียงแต่เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี แต่ยังเป็นตัวนำความร้อนที่ดีเยี่ยมด้วย ความร้อนจากด้านที่มีอุณหภูมิห้องสามารถไหลไปตามสายเคเบิลเข้าสู่พื้นที่คริโอเจนิกได้อย่างง่ายดาย ส่งผลให้ระบบทำความเย็นต้องรับภาระความร้อนมากขึ้น และอาจทำให้ระบบไม่เสถียร

กลไก "เวทมนตร์" ของสายเคเบิลซูเปอร์คอนดักเตอร์อุณหภูมิต่ำอยู่ที่การไม่มีความต้านทานไฟฟ้าและค่าการนำความร้อนต่ำ ซึ่งช่วยให้สามารถส่งสัญญาณไมโครเวฟได้เกือบไม่สูญเสียพลังงาน ในขณะเดียวกันก็ปกป้องสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำมากได้อย่างมีประสิทธิภาพ

3.กรณีการใช้งาน

คอมพิวเตอร์ควอนตัม: สายเคเบิลเหล่านี้ส่งสัญญาณควบคุมและอ่านค่าไมโครเวฟไปยังคิวบิตซูเปอร์คอนดักเตอร์อย่างแม่นยำ ช่วยลดการสูญเสียการประสานควอนตัม (decoherence) ที่เกิดจากสัญญาณรบกวนทางความร้อน

ฟิสิกส์สนามแม่เหล็กสูง: ในเครื่องเร่งอนุภาคและระบบ MRI สายสัญญาณโคแอกเชียลแบบซุปเปอร์คอนดักติ้งช่วยให้มั่นใจในการส่งสัญญาณความถี่สูงได้อย่างเสถียรภายใต้สนามแม่เหล็กที่เข้มข้น

การสำรวจอวกาศ: ในดาวเทียมและระบบตรวจจับรังสีอินฟราเรดที่ต้องการการระบายความร้อนแบบคริโอเจนิก สายสัญญาณเหล่านี้ช่วยรักษาระดับความไวสูงมาก ขณะเดียวกันก็ลดภาระความร้อน

4. ซุปเปอร์คอนดักเตอร์อุณหภูมิต่ำ (LTS) เทียบกับ ซุปเปอร์คอนดักเตอร์อุณหภูมิสูง (HTS)

สายสัญญาณโคแอกเชียลซุปเปอร์คอนดักติ้งอุณหภูมิต่ำ (LTS): วัสดุประกอบด้วย NbTi และ Nb3Sn ใช้งานที่อุณหภูมิต่ำกว่า 10 K โดยใช้ฮีเลียมเหลว ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการส่งสัญญาณและการวัดค่าความแม่นยำสูง

สายส่งกำลังไฟฟ้าซุปเปอร์คอนดักติ้งอุณหภูมิสูง (HTS): วัสดุประกอบด้วย YBCO และ BSCCO ใช้งานที่อุณหภูมิ 65–77 K โดยใช้ไนโตรเจนเหลว ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการส่งกระแสไฟฟ้าแรงสูง

สรุป

สายสัญญาณโคแอกเชียลซูเปอร์คอนดักเตอร์ที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำสามารถถือได้ว่าเป็นทางหลวงข้อมูลขนาดเล็กที่ไม่มีการสูญเสีย โดยช่วยให้มั่นใจได้ถึงการส่งสัญญาณไมโครเวฟเกือบไม่สูญเสียพลังงาน ขณะเดียวกันก็ยับยั้งการรั่วของความร้อนในระบบอุณหภูมิต่ำพิเศษ

ด้วยประสบการณ์ยาวนานในเทคโนโลยีสายสัญญาณความถี่สูงและความแม่นยำ Hotten ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่องทั้งวัสดุตัวนำ โครงสร้างฉนวนไฟฟ้า และความเสถียรโดยรวมของสายสัญญาณ เพื่อจัดหาโซลูชันการส่งสัญญาณความถี่สูงและอุณหภูมิต่ำที่เชื่อถือได้สำหรับงานวิจัยขั้นสูงและการประยุกต์ใช้งานระดับไฮเอนด์