Les scientifiques du NIST ont conçu un nouveau système hybride pour refroidir les détecteurs supraconducteurs à nanofils à photon unique (SNSPD) - des outils essentiels pour de nombreux types de recherche de pointe - qui est beaucoup plus petit que ceux précédemment démontrés et qui élimine le besoin de cryogènes conventionnels - tels que hélium liquide.

Les SNSPD sont utilisés dans les communications quantiques ultra-sécurisées, analyse de défauts de circuits intégrés à petite échelle, détection et télémétrie par laser (LIDAR), et la recherche biologique, parmi de nombreuses autres applications. Les dimensions d'un détecteur individuel ne sont pas beaucoup plus grandes que la largeur d'un cheveu humain. Parce qu'ils sont basés sur des matériaux supraconducteurs, ils fonctionnent à des températures extrêmement basses à seulement quelques kelvins au-dessus du zéro absolu.

Historiquement, ce niveau de refroidissement a généralement été atteint avec des systèmes à hélium liquide qui sont coûteux, compliqué, grand, et exigent une expertise considérable pour fonctionner et entretenir en toute sécurité. Dans les années récentes, il y a eu un intérêt mondial croissant pour la recherche d'alternatives. Le travail du NIST est une étape importante dans cet effort.

« Les SNSPD pourraient être déployés beaucoup plus largement si un un système de refroidissement à faible consommation était disponible, " dit le physicien du NIST Sae Woo Nam, qui a développé la nouvelle méthode avec ses collègues du NIST Vincent Kotsubo, Joël Ullom, et d'autres.

« Quand nous avons commencé notre travail, un tel système n'existait pas, " dit Nam. " La chose la plus proche était un appareil de la taille d'un chauffe-eau qui consomme 1,5 kilowatt d'électricité. C'est inutilement élevé. Bien que nous ayons besoin de refroidir les SNSPD à des températures très basses, la taille et la nature des appareils sont telles que la quantité de chaleur à évacuer est assez faible, de l'ordre de quelques centaines de microwatts."

Le prototype de glacière de l'équipe, conduire, l'électronique de contrôle et l'instrumentation mesurent 0,31 m de haut et 0,61 m de long. Lorsque tous les travaux d'ingénierie sont terminés, les scientifiques pensent qu'il s'intégrera facilement dans un rack électronique standard. Sa puissance appelée est d'environ 250 watts.

« Ce travail s'inscrit également dans l'un des objectifs du NIST :le développement de systèmes cryogéniques « invisibles », " dit Kotsubo, le concepteur principal du système. "C'est-à-dire, ils sont non seulement physiquement petits et nécessitent une faible puissance, mais ce sont pratiquement des appareils « boîte noire » - les utilisateurs n'ont qu'à l'allumer et cela fonctionne. Cela aidera à surmonter une barrière psychologique commune selon laquelle la cryogénie est techniquement difficile et dangereuse."

L'appareil prototype actuel de l'équipe du NIST, décrit dans Transactions IEEE sur la supraconductivité appliquée , va un long chemin vers cet objectif. Il s'appuie sur un système de refroidissement hybride comprenant un cryoréfrigérant Joule-Thomson (JT) et un réfrigérateur à tube pulsé (PTR). Les deux partagent certains éléments communs avec le système de refroidissement d'un réfrigérateur domestique :un gaz est alternativement comprimé puis autorisé à se dilater, évacuer l'énergie thermique vers un échangeur qui élimine la chaleur du système. Le système est complètement fermé. "Nous recirculons le gaz en continu, le compresser et le recompresser, " dit Kotsubo.

Le PTR peut atteindre des températures aussi basses que 10 K. Il est utilisé pour prérefroidir le JT, qui peut atteindre moins de 2 K. Les SNSPD ont des températures de fonctionnement requises dans la plage de 1 K à 2 K.

"Nous réduisons les choses à une échelle où il n'y a pas de règles d'ingénierie empiriques pour vous guider dans la conception, ou décider des matériaux à utiliser, " dit Nam. " Seule une poignée de personnes ont travaillé dans ce domaine. Tout est fait sur mesure sauf les compresseurs. Nous essayons de proposer un design qui puisse réellement être fabriqué. »

La planification initiale a été soutenue par la National Security Agency, qui a un intérêt constant pour la petite échelle, appareils de télécommunications portables. "Ils voulaient une étude papier, " Nam dit, "et Vince l'a fait. Il semblait que nous pourrions réellement construire quelque chose, la NSA a donc financé la première partie de la construction du prototype."

Le projet, qui n'en est qu'à ses débuts, bénéficie désormais d'un financement dans le cadre d'un accord de coopération en recherche et développement (CRADA) avec une société du Michigan appelée Quantum Opus, qui espère éventuellement commercialiser la technologie. L'entreprise est soutenue par une subvention de recherche sur l'innovation des petites entreprises de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

Le fondateur de Quantum Opus, le physicien Aaron Miller, estime que "ce sera le plus petit, système cryogénique fonctionnant en continu à la plus faible puissance capable d'atteindre moins de 2 kelvins. Idéalement, il pourrait déplacer des expériences qui seraient généralement liées à une prise murale haute tension et à un système de refroidissement par eau dans des environnements plus mobiles tels que des armoires de données d'avions et de télécommunications. Comme pour de nombreux projets DARPA, les applications ne sont pas encore entièrement connues. Mais j'espère que l'existence de ce système incitera les gens à s'intéresser à de nouvelles applications que l'on croyait auparavant impossibles."

« Je suis enthousiasmé par l'objectif à long terme de rendre la cryogénie invisible pour l'utilisateur final, " dit Nam. " De cette façon, les gens peuvent se concentrer sur les problèmes qu'ils essaient de résoudre au lieu de passer beaucoup de temps sur des systèmes de refroidissement compliqués.

« Cela fait partie d'un effort plus large dans lequel les organisations pourraient économiser des millions de dollars en passant sans cryogène. Avec le bon investissement dans des domaines stratégiques comme celui-ci, simplifier l'infrastructure de mesure peut avoir un impact énorme."