Параметрические усилители travelling-wave (TWPAs) — это электронные устройства, которые усиливают слабые микроволновые сигналы (то есть электромагнитные волны с частотами, обычно находящимися в диапазоне от 1 до 100 ГГц). Недавно многие инженеры разрабатывали TWPAs на основе сверхпроводников — материалов, которые проводят электричество с нулевым сопротивлением при низких температурах.
Сверхпроводниковые TWPAs могут обрабатывать сигналы с высокой эффективностью, обычно добавляя мало шума к усиленным сигналам. Однако традиционным конструкциям усилителей не хватает направленности, что означает, что электромагнитная энергия может распространяться назад к входу, что негативно сказывается на их производительности.
Исследователи из Университета Гренобль-Альпы, CNRS, Silent Waves и Технологического института Карлсруэ разработали новый TWPA на основе наноразмерных сверхпроводящих компонентов, известных как джозефсоновские переходы.
Это устройство, представленное в статье, опубликованной в Nature Electronics, может сдвигать обратные волны на более высокие частоты, предотвращая обратное распространение, которое обычно ухудшает производительность TWPAs.
Сверхпроводящие параметрические усилители travelling-wave — перспективные устройства для близкого к квантовому ограничения широкополосного усиления микроволновых сигналов и необходимы для микроволновых линий считывания с высокой квантовой эффективностью.
Арпит Ранадив, Беким Фазлиджи и их коллеги написали в своей статье: «Встроенная изоляция, а также усиление могут решить их основное ограничение: отсутствие истинной направленности из-за потенциального обратного распространения электромагнитного излучения к их входному порту. Мы сообщаем об усилителе параметрических travelling-wave, который основан на джозефсоновских переходах».
Усилители, разработанные Ранадивом, Фазлиджи и их коллегами, основаны на джозефсоновских переходах. Это небольшие устройства, состоящие из двух сверхпроводящих материалов, разделённых тонкой изолирующей, металлической или полупроводниковой преградой.
Джозефсоновские переходы позволяют парам электронов (то есть куперовским парам) туннелировать через них, используя квантово-механические эффекты. Они часто используются для разработки широкого спектра систем, включая квантовые компьютеры, микроволновые усилители и чувствительные магнитометры.
TWPA, представленный исследователями, использует нелинейные отклики джозефсоновских переходов для усиления микроволновых сигналов. В частности, он использует так называемую нелинейность третьего порядка и нелинейность второго порядка, а также механизм фазового согласования.
«Подход использует нелинейность третьего порядка для усиления и нелинейность второго порядка для преобразования частоты обратно распространяющихся мод для обеспечения обратной изоляции», — объяснили Ранадив, Фазлиджи и их коллеги. «Эти параметрические процессы, усиленные механизмом фазового согласования, демонстрируют усиление до 20 дБ и обратную изоляцию до 30 дБ в статической полосе пропускания 3 дБ, превышающей 500 МГц, и поддерживают добавленный шум, близкий к квантовому».
В начальных тестах было обнаружено, что недавно разработанный TWPA усиливает движущиеся вперёд микроволновые сигналы до 20 дБ. Он также достиг замечательной обратной изоляции, предполагая, что он предотвращает обратное распространение микроволновых сигналов и связанное с этим снижение производительности.
Учёные из Индийского технологического института в Бомбее нашли способ использовать свет для управления и считывания крошечных квантовых состояний внутри материалов толщиной в один атом.
Материалы, которые изучаются, имеют толщину всего в один атом — намного тоньше человеческого волоса — и известны как двумерные (2D) полупроводники. Внутри этих материалов электроны могут находиться в одном из двух различных квантовых состояний, называемых долинами. Эти долины, названные K и K′, можно представить как два разных «места», между которыми может выбирать электрон. Поскольку есть два варианта, исследователи давно представляли себе использование их как 0 и 1 цифровых вычислений, но на квантовом уровне. Эта идея лежит в основе быстрорастущей области исследований, называемой валлейтроникой.
Однако возможность надёжного контроля того, какую долину занимают электроны, — и быстрого переключения между ними по требованию — была серьёзной проблемой. «Предыдущие методы требовали сложных экспериментальных установок с тщательно настроенными циркулярно-поляризованными лазерами и часто несколькими лазерными импульсами, и они работали только при определённых условиях», — сказал профессор Гопал Диксит.
Исследователи обнаружили, что тонкой асимметрии в искажённой поляризационной форме волны лазера — введённой как контролируемая задержка между её компонентами поляризации — достаточно, чтобы подтолкнуть электроны либо в долину K, либо в долину K′.
Обращая временную асимметрию, индуцированную поляризацией долины, можно переключать между двумя состояниями, делая процесс полностью обратимым. Другими словами, направление асимметрии определяет, будет ли система установлена в состояние «0» или «1».
Профессор Диксит подчёркивает, что ещё более впечатляющим является то, что тот же импульс, который переключает состояние долины, также создаёт крошечный электрический ток, который действует как встроенный сигнал, сообщающий исследователям, какое состояние было выбрано. Это означает, что системой можно управлять и считывать её одновременно — без второго лазера или дополнительного инструмента.
Метод работает в широком диапазоне длин волн лазера и не зависит от согласования частоты с материалом, что было основным ограничением более ранних подходов. Поскольку эффект зависит от формы лазерного импульса, а не от точной энергетической структуры материала, ожидается, что он будет работать для различных 2D-полупроводников даже при комнатной температуре.
Помимо научной элегантности результата, работа имеет практическое значение. Совершенно симметричный импульс заполняет обе долины одинаково, что соответствует состоянию ВЫКЛ в логическом устройстве. Слегка искажённый импульс заполняет только одну долину, что соответствует либо 0, либо 1. Поскольку результирующий долинный ток сразу сообщает, какое состояние было выбрано, это формирует основу для полностью оптических логических операций — вычислений, управляемых полностью светом, а не электрическими цепями. Таким образом, процесс предлагает технологически простой путь для интеграции валлейтронного логического устройства в компактные оптические платформы.
Это открытие значительно упрощает экспериментальную среду валлейтроники. Использование одиночного, нерезонансного, линейно-поляризованного импульса устраняет необходимость в стабилизации фазы несущей, контроле круговой поляризации и конфигурациях с несколькими импульсами накачки и зондированием. Возможно, наиболее захватывающим является скорость. Поскольку механизм переключения происходит в масштабах времени, меньших, чем один цикл лазера, он открывает путь к обработке информации на частотах петагерц — примерно в миллион раз быстрее, чем у самых быстрых коммерческих процессоров сегодня.
Предоставлено Индийским технологическим институтом в Бомбее.