Ученые разработали «практически идеальный» усилитель

Новый тип усилителя электрических сигналов, разработанный сотрудниками Калифорнийского технологического института и Лаборатории реактивного движения NASA (JPL), пригоден для многих ответственных научных приложений: изучения звезд, галактик и черных дыр, субатомных исследований и построения квантовых компьютеров.

Обычные транзисторные усилители увеличивают амплитуду сигналов в широком спектре частот и имеют неплохой динамический диапазон — сохраняя как сильные так и слабые сигналы. Но в случаях, когда требуется очень большой коэффициент усиления, они привносят слишком много шумов, делая результирующий сигнал хотя и более сильным, но менее отчетливым.

Поэтому, например, в радиоастрономии, сейчас применяются высокочувствительные параметрические усилители. Они усиливают входной слабый импульс, используя сильный сигнал накачки. Проходя через инструмент, он передает свою энергию слабому сигналу. Примерно полвека назад профессор Калтеха Амнон Ярив (Amnon Yariv) показал, что этому типу усилителей свойственен минимальный уровень шума — только тот, что неизбежно обусловлен колебаниями атомов и другими квантовомеханическими процессами. Общей проблемой параметрических устройств являются узкий спектр усиливаемых частот и плохой динамический диапазон.

Как утверждают в статье для Nature Physics представители совместной команды Калтеха и JPL, их разработка сочетает только лучшие стороны транзисторных и параметрических усилителей. По ширине частотного диапазона (от нескольких гигагерц до терагерца) она десятикратно превосходит другие устройства с аналогичной чувствительностью, не искажает сильные сигналы и вносит минимальный уровень неизбежных шумов.

Одной из особенностью нового типа параметрического усилителя стало использование сверхпроводников — нитридов титана и ниобия (TiN и NbTiN), которые обладают необходимыми свойствами для обеспечения накачки энергией более слабого сигнала за счет более сильного.

Ученые уже работают над созданием таких усилителей для радиообсерватории Калтеха в Оуэнс-Вэли (штат Калифорния). В дальнейшем планируется внедрить их также в самые мощные в мире интерферометры для миллиметровой и субмиллиметровой астрономии: CARMA (Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy), который находится неподалеку от Оуэнс-Вэли, и чилийский Atacama Large Millimeter Array.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365