Mätrack


Mätledarna som kommer ut ur det kryogeniska kärlet ansluts dels till olika strömgeneratorer, dels till voltmätare och en dator som styr generatorer och mätinstrument via GPIB-buss. Allting sitter i en nittontums mätrack.


Bild: Audrone Vodzinskaite.

Det är inte utan stolthet som Arturas demonstrerar hur mätracken fungerar. Utrustningen och programlicenserna var inte helt billiga, men har finansierats av både EUs infrastrukturfonder och litauiska staten i ett gemensamt program kallat ”LaMeTech National Integrated Programme”.


Bild: Audrone Vodzinskaite.

Överst i racken finner vi tre digitala voltmätare (VM) och en digital strömgenerator (SG) för att strömsätta och mäta på supraledaren och redovisa temperaturen från termoelementet. Därunder står den dator som används för att utvärdera mätresultaten i Labview och styra mätinstrumenten. Den runda burken Dw är Arturas dewarkärl för förvaring av flytande kväve.

Mätningarna av exempelvis ström-spänningskaraktäristik går till så att man stegar strömmen genom supraledaren upp och ned i steg om någon mikroampere och ser vilket spänningsfall det blir, och låter datorn skapa ett U-I-diagram. Strömmen sveps i vissa experiment från en mikroampere och upp till 10 milliampere. Det är ingen raketvetenskap direkt, det gäller bara att vara alldeles säker på att man faktiskt har den ström man tror man har, och, som vanligt, eliminera störningar på mikrovoltnivå.

Den blanka tingesten märkt UV diskuteras i nästa avsnitt.


Bild: Audrone Vodzinskaite.

Vi körde inga experiment när jag var i Arturas labb, utan han hade färdiga mätserier att visa upp. Den visade apparaturen har använts för att mäta upp alla de förlopp som publicerats i den vetenskapliga artikeln i Applied Physics B.

UV-lampa laddar lysämne


Den blanka lampan (UV) längst ned till höger i mätracken är en ultraviolett lampa som löser ett helt annat problem (och den förfärliga bruna lådan till vänster med luftgälar är ett ryskt nätaggregat till densamma). Lampan används när Arturas studerar supraledarnas fotoelektriska egenskaper, dvs han lyser på dem och ser vad som händer. Det är inte lätt att få in ljus i en kryogenisk kavitet, för den består av en helt försluten ståltermos. Där inne är det mörkt och det går inte ha en lampa därinne för den avger värme och förstör den kryogeniska kylan. Men fosforescens är kallt ljus och genom att ladda ett speciellt fosforescerande ämne som tagits fram på VGTU med UV-ljus kan det efterlysa en hel timme på det supraledande provet, i 77 kelvin.

Praktisk användning


Allt det där låter toppen, men vad ska man ha det till?

– Nja, säger, Arturas, vi bedriver grundforskning och det är egentligen inte upp till oss att bestämma de kommersiella tillämpningarna, men själv kan jag tänka mig oerhört känsliga magnetometrar, eller för den delen känsliga strömmätare. Vår process uppvisar känsligheter i klass med 10E-15 Weber per kvadratmeter (kallat FI0) och mätningar av solens och planeternas magnetfält i interstellär rymd ligger kring mikrotesla. Justerat för storleken på en typisk sensor är 1 µT = 10E-10 Wb/cm² och då går det att komma fem tiopotenser under detta innan bruset blir betydande. En vanlig kompass reagerar på ett fält omkring 10E-5 Wb/cm².

  • Man skulle kunna framställa mycket känsliga magnetfältsmätare med känsligheter kring en fluxon, alltså en magnetisk kvantpartikel med flöden kring ± FI0. som diskuterat ovan. Det kommer att bli av mycket stor vikt för rymdforskningen, partikelfysiken osv.
 
  • Med supraledare i blandtillstånd skulle man kunna bygga radiosändare som matar ut oerhört korta radiopulser. Korta radiopulser betyder hög bandbredd och hög bandbredd betyder hög överföringskapacitet för data.
 
  • Korta radiopulser blir mycket bredbandiga och en annan idé är att man med antenner uppbyggda av supraledare kan skapa mycket enkla och kraftfulla EMP-vapen. Uteffekten kan bli hög, för supraledare leder mycket ström.

Enfotonsteleskopet


  • Man kan skapa ytterst känsliga teleskop, enfotonsteleskop, som bygger upp bilder med hjälp av enskilda fotoner, som kan avbilda himmelsobjekt som är så ljussvaga att de inte kan ses för närvarande. Känsligare kamera än så kan inte byggas, för det finns inget ljussvagare än en foton.

Ljuset från alla objekt i världsrymden är mer eller mindre rödförskjutet. Ju snabbare objekten rör sig från oss, desto mera rödförskjutet blir deras ljus. Objekt såsom urgalaxer som skapades väldigt tidigt efter Big Bang är så rödförskjutna att deras våglängd hamnat kring 15 mikrometer och inte längre kan ses med vanliga teleskop (och Big Bang självt är så rödförskjuten att den hamnat i mikrovågsområdet och kallas för mikrovågsbakgrunden).

Objekten är dessutom väldigt ljussvaga. Det rör sig om enskilda fotoner som når oss i en inte allt för strid ström. För att kunna se dessa fotoner behöver man ett teleskop i stil med rymdteleskopet Herschel, vars germanium-galliumdetektorer låg nedkylda till absoluta nollpunkten, befann sig ute vid andra lagrangepunkten och kostade miljarder. Herschel kunde se i området 60-210 mikrometer men kunde ändå inte räkna enskilda fotoner. Herschel har dessutom numera förlorat sin kryogeniska kylning och har stängts av.


Herschels uppfattning om Orionnebulosan, huvudsakligen bestående av kosmiskt damm som reflekterar infrarött ljus i våglängdsområdet 70-250 mikrometer. Bilden visar alltså inte ljus och inte färger, utan strålning som ligger nära mikrovågsområdet. Bild: ESA.

Det andra problemet är att vanliga kiseldetektorer (CCD-arrayer) inte fungerar vid 15 mikrometer. Andra typer av fotometrar är inte särskilt känsliga eller kan bara registrera en enda punkt. Se till exempel Iqeye (Italian Quantum Eye) som består av fyra fotonräknande specialdioder som räknar inom området 350-925 nm, som installerats på teleskopet i La Silla och sitter och räknar fotoner.

En foton representerar en oerhört liten energimängd, 4x10E-19 J, men den går att mäta. Att bygga ett teleskop som kan visa en bild av det ytterst ljussvaga universum som strålar emot oss i form av enstaka fotoner är ännu mycket svårare, men det går, det också, med hjälp av smala, ormformade supraledare.

Fotonen slår ett hål i supraledningen genom att den avsätter sin energi i ledaren, höjer temperaturen just där, slår sönder supralednigen och tvingar strömmen att gå runt hålet. Supraledarens tvärsnittsarea är inte längre densamma, utan har minskat. Plötsligt överskrids den kritiska strömmen per ytenhet, supraledningen upphör och spänningen stiger. Det går på en femtosekund. När fotonen klingat av återkommer supraledningen snabbt, på cirka 1,5 pikosekund.

Det här att låta fotonen ha sönder supralednigen termiskt är inte Arturas idé. Hans idé är mycket smartare. Han tänker sig istället att fotonen genom sin energi skulle kunna skapa en abrikosov-virvel och således ge upphov till samma typ av ström-spännings-karaktäristik som de enheter han redan arbetar med. Ännu så länge vet han inte om detta går att uppnå. Det är bland annat därför han vill kunna ha ljus inuti ett dewarkärl.

Enfotonsteleskopet kopplas på samma sätt som Arturas enheter. Man skickar kritisk ström genom supraledaren på strömmatningselektroder och mäter spänningsfallet. Normalt ska det vara noll, men när en foton slår sönder supraledningen stiger spänningen snabbt. Det enda som kan sakta ned den stigande flanken är induktansen i kretsen och därför utför man ledaren som en orm, eller mera tekniskt en bifilär spole där induktanserna tar ut varandra. Samtidigt får man stor yta, vilket behövs, för man vet ju inte var fotonen träffar.

Därefter är allt en fråga om att lägga tillräckligt många fotonfällor på samma lantan-aluminiumoxid-kristall och eventuellt förse dem med en sekundär, rent elektrisk CCD-array som kan fånga upp laddningarna, som i sin tur kan scannas som vi är vana vid.

  • Genom att man kan mäta enskilda fotoner borde man också kunna svara på frågor som: Hur stor är en foton? Hur lång tid tar den på sig? Är den avlång? Är den rund? Har den suddiga kanter?

Elektromagnetiska vapen är bara en direkt fortsättning på detta fenomen. Antag att man har en supraledare utförd som en antenn som genomflyts av hög ström och man skickar en snabb laserpuls på den. Då upphör supraledningen och resultatet blir en mycket bredbandig elektromagnetisk puls. Vill man ha en kraftigare puls ökar man bara strömmen.

Ytterligare en tillämpning är EMC-skydd för elektronisk utrustning. Vanliga smältsäkringar är inte särskilt snabba, utan vid snabba fenomen som åska brukar det vara halvledarutrustningen som skyddar säkringen genom att gå sönder först. Om säkringen vore supraledande och låg vid sin kritiska ström, skulle en yttre strömpuls eller ljuspuls från en blixt få den att stänga omedelbart, och reagera mycket fortare än någon typ av halvledare, och på så sätt säkra halvledarna. Samma fenomen skulle kunna användas både som vapen och som skydd.

Man arbetar hårt på att skapa supraledare som fungerar i rumstemperatur, eller ännu högre temperaturer, för användning i elkraftdistribution. Det skulle helt förändra värden runt omkring oss. Jämfört med koppar skulle kraftledningar bli tio till femtio gånger mindre. Magnettåg skulle bli realistiska.

Sida 4 / 5

Innehållsförteckning