Gli scienziati del NIST hanno ideato un nuovo sistema ibrido per il raffreddamento dei rivelatori a fotone singolo a nanofilo superconduttore (SNSPD) - strumenti essenziali per molti tipi di ricerca all'avanguardia - che è molto più piccolo di quelli precedentemente dimostrati e che elimina la necessità di criogeni convenzionali, come elio liquido.

Gli SNSPD sono utilizzati nelle comunicazioni quantistiche ultra sicure, analisi dei difetti di circuiti integrati di piccola scala, rilevamento e distanza della luce basati su laser (LIDAR), e ricerca biologica, tra molte altre applicazioni. Le dimensioni di un singolo rilevatore non sono molto più grandi della larghezza di un capello umano. Poiché sono basati su materiali superconduttori, operano a temperature estremamente basse solo pochi kelvin sopra lo zero assoluto.

Storicamente, quel livello di raffreddamento è stato tipicamente raggiunto con sistemi ad elio liquido che sono costosi, complicato, grande, e richiedono una notevole esperienza per operare e manutenere in sicurezza. Negli ultimi anni, c'è stato un crescente interesse in tutto il mondo nel trovare alternative. Il lavoro del NIST è una pietra miliare in questo sforzo.

"Gli SNSPD potrebbero essere distribuiti molto più ampiamente se un compatto, era disponibile un sistema di raffreddamento a bassa potenza, "dice il fisico del NIST Sae Woo Nam, che ha sviluppato il nuovo metodo con i colleghi del NIST Vincent Kotsubo, Joel Ullom, e altri.

"Quando abbiamo iniziato il nostro lavoro, non esisteva un sistema del genere, " Nam dice. "La cosa più vicina ad esso era un dispositivo delle dimensioni di uno scaldabagno che assorbe 1,5 kilowatt di potenza. È inutilmente alto. Sebbene sia necessario raffreddare gli SNSPD a temperature molto basse, le dimensioni e la natura dei dispositivi sono tali che la quantità di calore da rimuovere è piuttosto ridotta, nell'ordine di poche centinaia di microwatt."

Il prototipo di frigorifero portatile del team, unità, l'elettronica di controllo e la strumentazione è alta 0,31 m e lunga 0,61 m. Quando tutto il lavoro di ingegneria è completato, gli scienziati ritengono che si adatterà facilmente a un rack elettronico standard. La sua potenza richiesta è di circa 250 watt.

"Questo lavoro è anche in linea con uno degli obiettivi del NIST:lo sviluppo di sistemi criogenici 'invisibili', "dice Kotsubo, il capo progettista del sistema. "Questo è, non sono solo fisicamente piccoli e richiedono una bassa potenza, ma sono praticamente dispositivi "scatola nera":gli utenti devono solo accenderlo e funziona. Ciò aiuterà a superare una barriera psicologica comune secondo cui la criogenia è tecnicamente difficile e pericolosa".

L'attuale prototipo di dispositivo del team del NIST, descritto in Transazioni IEEE sulla superconduttività applicata , fa molta strada verso quell'obiettivo. Si basa su un sistema di raffreddamento ibrido che comprende un criorefrigeratore Joule-Thomson (JT) e un frigorifero a tubi a impulsi (PTR). Entrambi condividono alcuni elementi comuni con il sistema di raffreddamento in un frigorifero domestico:un gas viene alternativamente compresso e poi lasciato espandere, cedendo energia termica ad uno scambiatore che sottrae calore al sistema. Il sistema è completamente chiuso. "Ricircoliamo continuamente il gas, comprimendolo e ricomprimendolo, " dice Kotsubo.

Il PTR può raggiungere temperature fino a 10 K. Viene utilizzato per preraffreddare il JT, che possono raggiungere valori inferiori a 2 K. Gli SNSPD hanno richiesto temperature di esercizio comprese tra 1 K e 2 K.

"Stiamo riducendo le cose a una scala in cui non ci sono regole empiriche di ingegneria per aiutarti a guidarti nella progettazione, o decidere quali materiali utilizzare, " Nam dice. "Solo una manciata di persone ha svolto alcun lavoro in questo settore. Tutto è su misura tranne i compressori. Stiamo cercando di elaborare un progetto che possa essere effettivamente prodotto".

La pianificazione iniziale è stata supportata dall'Agenzia per la sicurezza nazionale, che ha un interesse costante per la piccola scala, apparecchi portatili per telecomunicazioni. "Volevano uno studio cartaceo, "Nam dice, "e Vince lo ha fatto. Sembrava che potessimo davvero costruire qualcosa, quindi la NSA ha finanziato la parte iniziale della costruzione del prototipo."

Il progetto - che è ancora nelle fasi iniziali - ora riceve finanziamenti nell'ambito di un accordo di ricerca e sviluppo cooperativo (CRADA) con una società del Michigan chiamata Quantum Opus, che si aspetta alla fine di commercializzare la tecnologia. L'azienda è supportata da una borsa di ricerca sull'innovazione per le piccole imprese della Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

Il fondatore di Quantum Opus, il fisico Aaron Miller, crede che "questo sarà il più piccolo, sistema criogenico a funzionamento continuo a bassa potenza in grado di raggiungere meno di 2 kelvin. Idealmente potrebbe trasferire esperimenti che di solito sarebbero legati a una presa a muro ad alta tensione e un sistema di raffreddamento ad acqua in ambienti più mobili come aerei e armadi dati per le telecomunicazioni. Come per molti progetti DARPA, le applicazioni non sono ancora completamente conosciute. Ma si spera che l'esistenza di questo sistema attiri le persone interessate a nuove applicazioni precedentemente ritenute impossibili".

"Sono entusiasta dell'obiettivo a lungo termine di rendere la criogenia invisibile all'utente finale, " dice Nam. "In questo modo le persone possono concentrarsi sui problemi che stanno cercando di risolvere invece di passare molto tempo su complicati sistemi di raffreddamento.

"Questo fa parte di uno sforzo più ampio in cui le organizzazioni potrebbero risparmiare milioni di dollari eliminando i criogeni. Con il giusto investimento in aree strategiche come questa, semplificare l'infrastruttura di misurazione può avere un impatto enorme".