超導量子干涉裝置(SQUID)是以包含超冷「約瑟芬接面」(Josephson junction)的超導迴路為基礎,可用於實現當今最靈敏的磁力計。如今,美國國家標準技術研究所(NIST)和科羅拉多大學波德分校(University of Colorado, Boulder)的研究人員重新利用SQUID產生微波超級多工器,將來自多達1,000個低溫微熱量計的訊號放在單個同軸電纜上。

20170817_SQUID_NT02P1 組裝完整的樣本中帶有8個轉換邊緣感測器(TES)微熱量計檢測晶片(中央)、8個微波多工器晶片(兩側垂直列);以及用於檢測器偏置、奈奎斯特(Nyquist)濾波以及訊號路由的晶片 (來源:AIP)

研究人員正致力於解決各種問題,包括如何恐怖分子手中取得核原料,以釐清宇宙大爆炸(Big Bang)不為人知的一面。他們在美國物理學會(American Institute of Physics;AIP)旗下刊物《應用物理學報》(Applied Physics Letters)發表了「使用微波SQUID多工同步讀取128個X光和γ射線轉換邊緣微熱量計」(Simultaneous readout of 128 X-ray and gamma-ray transition-edge microcalorimeters using microwave SQUID multiplexing)的相關研究。

迄今為止,核原料計量、天體物理學和X射線光譜的測量應用都使用分時多工技術,將最多50個微熱量計輸出結合到單個雙絞線上。最大的已知陣列使用250個微熱量計,但需要50對雙絞線輸出。研究人員表示,新的微波多工光譜儀能夠將1,000個微熱量計多工至單個同軸電纜上,不過,他們至今僅能在單個同軸電纜上實現128個微熱量計。

20170817_SQUID_NT02P2 具有轉換邊緣感測器的3通道微波SQUID多工電路 (a)、33通道微波SQUID多工晶片(b),以及1/4微波諧振器電容耦合至饋送線(c)的特寫 (來源:AIP)

研究人員使用由射頻(RF) SQUID調節的超冷諧振器,讓每個加在同軸電纜對上的微熱量計分別具有略微不同的頻率。研究團隊計劃使用新版儀器測量來自分裂材料(如鈽、高能量X射線與宇宙背景輻射等)的γ射線。但目前的目標在於打造128通道超導感測器的1,000微熱量計。

估計恐怖份子只需要取得8至10公斤的鈽——相當於一顆壘球的大小,就足以建構一個「手提箱」原子彈。因此,目前迫切需要新的探測器陣列,以提高計算鈽庫存的準確度。

20170817_SQUID_NT02P3 33通道SQUID多工器晶片及其微波響應,可顯示相關的諧振。多個晶片採用菊花鏈方式實現更大的多工因子(來源:J.A.B. Mates, University of Colorado, Boulder)

針對非防禦性的應用中,天體物理學家可以調整探測器陣列,以便更準確地測量宇宙背景輻射極化的波動,從而解釋宇宙大爆炸後經過不斷膨脹達到今天的狀態。美國能源部(DoE)可以更準確地測量高能量的X射線來源,例如史丹佛線性加速器中心(SLAC)的自由電子雷射,以揭示當今仍然未知的物質微妙特性。

美國能源部的核能大學計劃(Nuclear Energy University Program)、NIST的測量科學創新、NASA的天體物理研究計劃署,以及美國能源部基礎能源科學先進檢測器研究計劃等單位,均為這項研究提供了資金和其他資源。

編譯:Susan Hong

(參考原文:NIST Repurposes SQUIDs to Sniff Nukes, Solve Big Bang,by R. Colin Johnson)