Naukowcy z Instytutu Technologii w Kalifornii (Caltech) wraz z Jet Propulsion Laboratory (JPL) będącym pod opieką NASA przygotowali nowy rodzaj wzmacniacza, potęgującego sygnały elektryczne. Urządzenie to może być użyte w zasadzie do wszystkiego – od badania gwiazd, galaktyk i czarnych dziur do odkrywania świata kwantowego oraz rozwoju komputerów kwantowych. “Wzmacniacz ten zmieni definicję tego co jest możliwe do zmierzenia”, powiedział Jonas Zmuidzinas, profesor fizyki z Caltech, jednocześnie szef technologii w JPL oraz członek zespołu badawczego.
Wzmacniacz z definicji to urządzenie, które wzmacnia słabe sygnały. “Wzmacniacze odgrywają podstawową rolę w szerokim zakresie pomiarów i ogólnie elektroniki”, mówi Peter Day – kolejny profesor fizyki w Caltech oraz główny naukowiec w JPL. “Dla wielu zadań obecnie istniejące wzmacniacze są wystarczająco dobre. Jednakże dla bardziej zaawansowanych i wymagających aplikacji, braki w dostępnej technologii znacznie nas ograniczają”.
Konwencjonalne wzmacniacze tranzystorowe – jak te używane w głośnikach samochodowych – pracują na szerokiej rozpiętości częstotliwości. Mogą również zwiększać sygnały począwszy od słabych i kończąc na silnych, a tak zwany dynamiczny zakres pozwala im odgrywać zarówno ciche, jak i głośne części utworu muzycznego. Jednak kiedy potrzebny jest wyjątkowo czuły wzmacniacz – przykładowo, aby podbić słabe fale radiowe o wysokiej częstotliwości, płynące z odległych galaktyk – tranzystorowe wzmacniacze mają tendencję do wprowadzania zbyt dużej ilości szumu, co powoduje, że sygnał jest potężniejszy, ale znacznie mniej czysty.
Jednym z typów wysokoczułego wzmacniacza jest wzmacniacz parametryczny, który wzmacnia słaby sygnał wejściowy, poprzez użycie chociażby lasera pompującego, jako elementu, który moduluje źródło. Oba sygnały przechodzą przez instrument, pompa “wstrzykuje” energię w słabe fragmenty sygnału, jednocześnie go wzmacniając.
Około 50 lat temu, Amnon Yariv, a także profesorzy fizyki stosowanej na Caltech – Martin i Eileen Sommerfield, pokazali typ wzmacniacza, który wytwarza tak mało szumu jak to tylko możliwe – jedyny szum, jaki jest nie do uniknięcia spowodowany jest przez podrygujące atomy i fale, związane z prawami mechaniki kwantowej. Problem z wieloma wzmacniaczami parametrycznymi i innymi czułymi urządzeniami jak te, jest taki, że mogą one wzmacniać jedynie wąski zakres częstotliwości i często posiadają słaby zakres dynamiki.
Jednakże naukowcy z Caltech i JPL twierdzą, że nowy wzmacniacz jest typem parametrycznego wzmacniacza, który łączy w sobie najlepsze cechy innych wzmacniaczy. Działa on na zakresie częstotliwości ponad dziesięciokrotnie szerszym niż inne, porównywane czułe wzmacniacze, może podbijać silne sygnały bez zniekształceń, a także wprowadza najniższą wartość nieuniknionego szumu. Naukowcy mówią także, że poprawki związane z projektem powinny zredukować szum do absolutnego minimum. Opracowywane wersje wzmacniacza mogą pracować na częstotliwościach od kilku gigaherców do teraherca (1000 GHz). Przykładowo, gigaherc jest około dziesięciokrotnie większy niż sygnały komercyjnego radio, które w Stanach Zjednoczonych operują na częstotliwościach od 88 do 108 megaherców (1GHz to 1000 MHz).
“Nasz nowy wzmacniasz potrafi to wszystko”, mówi Zmuidzinas. “Jak to się mawia – i kot syty i myszka cała”.
Obecnie zespół opisał swój nowy instrument w dzienniku Nature Physics. Jedną z najważniejszych cech nowego parametrycznego wzmacniacza jest fakt, że posiada nadprzewodniki – materiały, które pozwalają na przepływ prądu elektrycznego z zerowym oporem w pewnych temperaturach. W wypadku tego wzmacniacza naukowcy korzystają z azotku tytanu (TiN) i azotku tytanu niobu (NbTiN), które charakteryzują się odpowiednimi właściwościami, pozwalającymi na wzmacnianie słabego sygnału.
Chociaż wzmacniacz ma wiele potencjalnych zastosowań, to powodem dla którego został on zbudowany jest chęć lepszego badania wszechświata. Zespół zbudował ten instrument, aby poprawić odbiór sygnałów mikrofalowych, ale nowa konstrukcja może pomóc również w budowaniu innych wzmacniaczy, które pomogą astronomom w obserwowaniu szerokiego zakresu długości fal – od radiowych do rentgenowskich.
Przykładowo instrument może bezpośrednio podbijać sygnały radiowe ze słabych źródeł, jak odległe galaktyki, czarne dziury czy inne egzotyczne obiekty w kosmosie. Poprawienie czytelności sygnałów o milimetrowych długościach fal oraz fal submilimetrowych (zakres fal radiowych o częstotliwości: 300 GHz – 3 THz czyli fali o długości w przedziale 1 mm – 100 ?m), pozwoli astronomom badać mikrofalowe promieniowanie tła (rodzaj promieniowania o rozkładzie termicznym energii, czyli widmie ciała doskonale czarnego o temperaturze 2,7249?2,7252 K), a także zajrzeć za zasłonięte chmurami pyłowymi galaktyki, aby móc badać narodziny gwiazd oraz wnikać w protogalaktyki (istniejące na początku ewolucji Wszechświata gęste obłoki gazu). Zespół już teraz rozpoczął prace nad wyprodukowaniem podobnych urządzeń dla Caltech’s Owens Valley Radio Observatory (OVRO) znajdującego się w pobliżu Bishop (Kalifornia), około 400 km od Los Angeles. Te wzmacniacze, mówi Zmuidzinas, mogą być zastosowane w szykach teleskopów jak w Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy mieszczącego się przy OVRO, którego Caltech jest właśnie członkiem konsorcjum.
Zamiast bezpośrednio wzmacniać astronomiczne sygnały, instrument może być używany w celu zwiększenia elektronicznego sygnału z czujnika światła, ultrafioletu czy mocy teleskopu optycznego, co zdecydowanie ułatwi astronomem wydobywanie z prowadzonych obserwacji słabych obiektów.
Z powodu, iż instrument jest tak czuły i wprowadza minimalna ilość szumu, może znaleźć również zastosowanie do badania świata kwantowego. Przykładowo Keith Schwab – profesor fizyki stosowanej w Caltech – planuje użyć wzmacniacza do zmierzenia zachowań małych urządzeń mechanicznych, które pracują nad granicy klasycznej fizyki oraz dziwnego świata mechaniki kwantowej. Wzmacniacz może być także użyty w rozwoju prac nad kwantowymi komputerami – które są wciąż poza naszym technologicznym zasięgiem, jednak powinny być w stanie rozwiązać najtrudniejsze problemy naukowe znacznie szybciej niż tradycyjne komputery.
“Jest trudno przewidzieć, które z zastosowań zostaną wykorzystane, jednak prawie doskonały wzmacniacz jest po prostu przydatną rzeczą, którą warto mieć w swojej torbie pełnej sztuczek. Nasz instrument wciąż potrzebuje oszlifowania kilku tematów, zanim zostanie nazwany doskonałym, jednak dotychczasowe rezultaty pokazują, że jesteśmy w stanie to osiągnąć”, mówi na koniec Zmuidzinas. Dzięki stworzeniu nowego urządzenia, naukowcy pokazali, że faktycznie jest możliwe wykonanie doskonałego instrumentu badawczego.
Badania są wspierane przez NASA, Keck Institute for Space Studies, a także JPL Research and Technology Development program.
Źródło: California Institute of Technology Grafika: Peter Day
