Физики создали идеальный усилитель для исследований космоса и квантового мира

Устройство позволяет усиливать даже самые слабые сигналы, практически не внося в них шум, и может быть использовано для изучения чего угодно, от звезд, галактик и черных дыр до явлений квантовой механики — ведь большинство точных измерительных приборов преобразовывают информацию об объекте измерения в электрический сигнал.

— Усилители лежат в основе широкого диапазона научных измерений, и электроники вообще. Для многих задач достаточно и существующих усилителей, но в наиболее требовательных приложениях нас ограничивают недостатки существующих технологий, — поясняет Питер Дэй, один из разработчиков нового усилителя и сотрудник Лаборатории реактивных двигателей НАСА. Вместе с исследователями из Калифорнийского технологического института, ему удалось разработать принципиально новое усилительное устройство.

Обычные транзисторные усилители — например используемые в аудиотехнике — работают в широком диапазоне частот. Они могут усиливать как слабые, так и мощные сигналы, за счет относительно широкого динамического диапазона (диапазона между минимальным и максимальным допустимыми уровнями сигнала). Благодаря этой характеристике усилителя, слушая музыку, мы слышим и тихие, и громкие части композиции. Но когда нам нужен сверхчувствительный усилитель, например для того чтобы усилить слабые высокочастотные радиоволны, излучаемые далекими галактиками, обычные усилители вносят слишком много шума. В результате сигнал получается хоть и мощным, но искаженным, иногда до неузнаваемости.

В этих случаях вместо обычного усилителя можно использовать параметрический усилитель, в котором усиление сигнала по мощности осуществляется за счёт энергии внешнего источника (так называемого генератора накачки). Упрощая, можно сказать, что такой усилитель может усиливать только очень узкий диапазон частот (имеет маленький динамический диапазон), зато уж с этим справляется замечательно, внося гораздо меньше искажений в сигнал. По этой причине параметрические усилители используются в радиоастрономии, дальней космической и спутниковой связи, радиолокации и других областях, в которых сложно получить «чистый» от шума сигнал.

Новая разработка Калифорнийского технологического института сочетает в себе плюсы обоих подходов. Диапазон новинки в десять раз шире, чем у других усилителей сравнимой чувствительности, а уровень вносимых искажений практически равен минимально возможному. Более того, как утверждают разработчики, вносимый усилителем шум можно будет свести к теоретически достижимому минимуму (по разным причинам небольшие искажения всегда будут неизбежными). Усилитель может быть адаптирован для работы в диапазоне от нескольких гигагерц то терагерца.

— Наш усилитель может все. С ним можно усидеть сразу на двух стульях — рассказывает Джонас Жмуйдинас, исследователь из Калифорнийского технологического института.

Одна из ключевых особенностей усилителя — использование сверхпроводников. Исследователи использовали нити из нитрида титана и ниобия нитрида титана (NbTiN) обладающие подходящими свойствами для того, чтобы использовать ток накачки для усиления слабого сигнала.

Новый усилитель, по словам разработчиков, может быть использован, в первую очередь, в большинстве существующих и строящихся радиотелескопов. Но этим возможности его применения не ограничиваются — как считает Жмуйдинас, «практически идеальный усилитель — хорошая штука, которую полезно иметь в своем наборе хитростей многим ученым», в частности — исследователям квантового мира.

По материалам: Ноосфера




Комментирование закрыто.