O amplificador de novo consiste de um material supercondutor (nitreto de titânio de nióbio) enrolada em espiral de um duplo 16 milímetros de diâmetro.(Crédito: Peter Dia)
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e da NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) desenvolveram um novo tipo de amplificador para impulsionar sinais elétricos. O dispositivo pode ser usado para tudo, desde estudar estrelas, galáxias e buracos negros para explorar o mundo quântico e desenvolvimento de computadores quânticos.
"Este amplificador irá redefinir o que é possível medir", diz Jonas Zmuidzinas, Merle Caltech Kingsley Professor de Física, o técnico-chefe do JPL, e um membro da equipe de pesquisa.
Um amplificador é um dispositivo que aumenta a força de um sinal fraco."Amplificadores de desempenhar um papel fundamental em uma ampla gama de medições científicas e na eletrônica em geral", diz Peter Day, um associado de visita em Física na Caltech e principal cientista da JPL."Para muitas tarefas, amplificadores atuais são bons o suficiente. Mas, para as aplicações mais exigentes, as deficiências das tecnologias disponíveis nos limita."
Convencionais amplificadores transistorizados como os que os falantes de potência do seu carro - trabalhar para um período grande de freqüências. Eles também podem melhorar os sinais que vão desde o fraco ao forte, e esta faixa chamada dinâmica permite que os alto-falantes para reproduzir ambas as partes calmas e alto de uma canção.Mas quando um amplificador extremamente sensível é necessário - por exemplo, para impulsionar os fracos, ondas de alta freqüência de rádio de galáxias distantes - amplificadores de transistor tendem a introduzir demasiado ruído, resultando em um sinal de que é mais potente, mas menos claro.
Um tipo de amplificador altamente sensível é um amplificador paramétrico, que impulsiona um sinal de entrada fraco por meio de um sinal forte chamado o sinal de bomba. Como ambos os sinais de viajar através do instrumento, o sinal de bomba injecta a energia para o sinal fraco, portanto, amplificando-lo.
Cerca de 50 anos atrás, Amnon Yariv, Martin Caltech e Eileen Summerfield Professor de Física Aplicada e Engenharia Elétrica, mostrou que este tipo de amplificador produz ruído tão pouco quanto possível: o ruído só deve produzir é o ruído inevitável causado pela jiggling de átomos e ondas de acordo com as leis da mecânica quântica. O problema com muitos amplificadores paramétricos e dispositivos sensíveis como é, contudo, é que eles só podem amplificar uma gama de frequências baixas e muitas vezes têm uma gama dinâmica pobre.
Mas os pesquisadores da Caltech e JPL dizem que o seu novo amplificador, que é um tipo de amplificador paramétrico, combina apenas as melhores características de outros amplificadores. Ele opera sobre uma faixa de freqüência mais de dez vezes maior do que outros amplificadores comparativamente sensíveis, pode amplificar sinais fortes sem distorção, e apresenta quase a menor quantidade de ruído inevitável. Em princípio, dizem os pesquisadores, melhorias no projeto deve ser capaz de reduzir o ruído ao mínimo absoluto.Versões do amplificador pode ser projetado para trabalhar em freqüências que variam de um gigahertz poucos para um terahertz (1.000 GHz). Para comparação, um gigahertz é cerca de 10 vezes maior do que comerciais sinais de rádio FM em os EUA, que variam de cerca de 88 a 108 megahertz (1 GHz é de 1.000 MHz).
"Nosso novo amplificador tem de tudo", diz Zmuidzinas. "Você começa a ter seu bolo e comê-lo."
A equipe descreveu recentemente o novo instrumento na revista Nature Physics.
Uma das principais características do amplificador paramétrico novo é que ele incorpora supercondutores - materiais que permitem que uma corrente elétrica flua com resistência zero quando reduzido a temperaturas certas. Por seu amplificador, os investigadores estão usando nitreto de titânio (TiN) e nitreto de nióbio, titânio (NbTiN), que têm as propriedades certas para permitir que o sinal de bomba para amplificar o sinal fraco.
Embora o amplificador tem uma série de aplicações potenciais, a razão pela qual os pesquisadores construíram o dispositivo foi para ajudá-los a estudar o universo. A equipe construiu o instrumento para impulsionar sinais de microondas, mas o novo design pode ser usado para construir amplificadores que os astrônomos observam ajuda em uma ampla gama de comprimentos de onda, das ondas de rádio aos raios-X.
Por exemplo, a equipe diz, o instrumento pode diretamente amplificar sinais de rádio a partir de fontes fracas como as galáxias distantes, buracos negros, ou outros objetos cósmicos exóticos. Reforço sinais em milímetros para comprimentos de onda submillimeter (entre rádio e infravermelho), vai permitir aos astrónomos estudar a radiação cósmica de fundo - o brilho do Big Bang - e para espiar por trás das nuvens de poeira de galáxias para estudar o nascimento de estrelas, ou sonda galáxias primordiais. A equipe já começou a trabalhar para produzir tais dispositivos para a Owens Valley Caltech Radio Observatory (OVRO) perto de Bishop, na Califórnia, cerca de 250 quilômetros ao norte de Los Angeles.
Estes amplificadores, Zmuidzinas diz, poderia ser incorporado em matrizes telescópio como a matriz combinada de Investigação em Milímetro onda de Astronomia OVRO, dos quais Caltech é um membro do consórcio, eo Atacama Matriz Millimeter / submillimeter Grande, no Chile.
Em vez de diretamente amplificando um sinal astronômico, o instrumento pode ser usado para aumentar o sinal eletrônico de um detector de luz em um telescópio óptico, ultravioleta, ou até mesmo de raios-X, tornando mais fácil para os astrônomos trazer à tona objetos fracos.
Porque o instrumento é tão sensível e introduz um mínimo de ruído, pode também ser usado para explorar o mundo quântico. Por exemplo, Keith Schwab, professor de física aplicada em Caltech, está planejando usar o amplificador para medir o comportamento de minúsculos dispositivos mecânicos que operam na fronteira entre a física clássica e do mundo estranho da mecânica quântica. O amplificador também poderia ser usado nos computadores quânticos de desenvolvimento - que ainda estão fora do nosso alcance tecnológico, mas deve ser capaz de resolver alguns dos problemas mais difíceis da ciência muito mais rapidamente do que qualquer computador normal.
"É difícil prever o que todas as aplicações vão acabar por ser, mas um amplificador quase perfeita é uma coisa muito útil para ter no seu saco de truques", diz Zmuidzinas. E através da criação de seu novo aparelho, os pesquisadores demonstraram que é realmente possível construir um amplificador essencialmente perfeita. "Nosso instrumento ainda tem algumas arestas que precisam de polimento antes de podermos chamá-lo perfeito, mas nós pensamos que os nossos resultados até agora mostram que podemos chegar lá."
Esta pesquisa foi financiada pela NASA, o Instituto Keck de Estudos Espaciais e de Pesquisa JPL e do programa de Desenvolvimento de Tecnologia.
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