Das Verständnis, wie sich Energie in Materialien bewegt, ist für die Untersuchung von Quantenphänomenen, katalytischen Reaktionen und komplexen Proteinen von grundlegender Bedeutung. Um zu messen, wie sich Energie bewegt, wird eine Probe mit speziellem Röntgenlicht bestrahlt, um eine Reaktion auszulösen.
Detektoren sammeln dann die Strahlung, die die Reaktion aussendet. Herkömmlichen Sensoren fehlt in der Regel die für diese Untersuchungen erforderliche Empfindlichkeit. Eine Lösung ist der Einsatz supraleitender Sensoren. Doch die Signale dieser Sensoren zu verstärken, ist eine große Herausforderung.
Aufbauend auf den Fortschritten des Quantencomputings fügten die Forscher einen speziellen Verstärkertyp hinzu, supraleitende parametrische Wanderwellenverstärker. Während die meisten Verstärker der Messung Rauschen hinzufügen, sind diese Verstärker nahezu rauschlos. In einem großen Fortschritt haben Forscher kürzlich gezeigt, dass die Verstärker bei 4 Kelvin betrieben werden können, was als relativ hohe Betriebstemperatur gilt.
Die Reduzierung des bei der Signalverarbeitung hinzugefügten Rauschens kann die Leistung eines Sensors verbessern. Durch die Verstärkung arbeitet jeder Sensor schneller und ist empfindlicher.
Aktuelle Experimente haben gezeigt, dass parametrische Verstärker möglicherweise Signale von vielen supraleitenden Sensoren gleichzeitig analysieren können. Supraleitende Sensoren arbeiten bei sehr niedrigen Temperaturen. Bei diesen Temperaturen weisen parametrische Verstärker ein sehr gutes Rauschverhalten nahe der Grenze der Quantenmechanik auf. Der Fortschritt ebnet den Weg, solche Verstärker mit einer Vielzahl von Sensortechnologien zu integrieren.
Ein supraleitender Sensor besteht aus einem supraleitenden Thermometer und einem Absorber. Wenn Röntgenstrahlen im Absorber gestoppt werden, verändern sie den supraleitenden Zustand des Sensors. Dadurch wird in einem Stromkreis ein kleiner Strom erzeugt.
Um den Detektor empfindlicher zu machen, sind viele Sensoren wie bei einer Digitalkamera in einem Array angeordnet.
Supraleitende Sensoren arbeiten bei sehr niedrigen Temperaturen (ca. 0,09 Kelvin) und erfordern daher spezielle Ausleseelektronik und Verstärker. Diese Verstärker müssen die Signale mehrerer Sensoren auf einer einzigen Ausleseleitung kombinieren. Das Kombinieren von Signalen wird als Multiplexen bezeichnet.
Eine effiziente Möglichkeit hierfür besteht darin, jeden Sensor in einem Array an einen Resonator zu koppeln. Alle Resonatoren sind an eine einzige Ausgangsleitung gekoppelt. Der von einem absorbierten Photon erzeugte Strom verschiebt die Resonanzfrequenz auf eine für jeden Sensor einzigartige Weise.
Da diese Resonatoren mit Mikrowellenfrequenzen arbeiten, wird der elektronische Chip, der alle Resonatoren sowie die Ausgangszuleitung enthält, Mikrowellen-Multiplexer genannt.
Forscher bereiten die Messung der Signale einer Reihe von Sensoren und eines Mikrowellen-Multiplexers mit einer Auslesekette vor, deren erster Verstärker ein parametrischer Wanderwellenverstärker mit kinetischer Induktivität anstelle eines herkömmlichen Halbleiterverstärkers ist. Durch die Verwendung des parametrischen Verstärkers wird das Ausleserauschen reduziert und größere Arrays schnellerer Sensoren ermöglicht.
Die Forscher veröffentlichten ihre Studien in Angewandte körperliche Untersuchung im Jahr 2022 und in PRX Quantum im Jahr 2021.
Mehr Informationen:
M. Malnou et al., Leistung eines parametrischen Wanderwellenverstärkers mit kinetischer Induktivität bei 4 Kelvin: Auf dem Weg zu einer Alternative zu Halbleiterverstärkern, Angewandte körperliche Untersuchung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.044009
M. Malnou et al., Dreiwellen-Misch-Kinetic-Induktivitäts-Wanderwellenverstärker mit nahezu quantenbegrenzter Rauschleistung, PRX Quantum (2021). DOI: 10.1103/PRXQuantum.2.010302