Neuartiger parametrischer Wanderwellen-Verstärker
Einsatz von Supraleitern ermöglicht große Bandbreiten und hohen Dynamikbereich bei niedrigem Rauschen.
Die große Kunst beim Bau von Verstärkern ist es, die drei wichtigen Kategorien Bandbreite, Dynamikbereich und Rauschverhalten je nach Anwendung zu optimieren, damit Verbesserungen in der einen Kategorie nicht allzu sehr auf Kosten der anderen gehen. Physiker vom California Institute of Technology und dem angegliederten Jet Propulsion Laboratory in Pasadena haben nun die nichtlinearen Eigenschaften spezieller Supraleiter ausgenützt, um einen neuen Verstärkertyp zu entwickeln. Dieser parametrische Wanderwellen-Verstärker vereint die starken dynamischen Eigenschaften und die Bandbreite von transistorbasierten Verstärkertypen mit dem geringen Rauschen von parametrischen Verstärkern.
Abb.: Der neue Verstärkertyp basiert auf supraleitendem Niob-Titan-Nitrid, zusammengewickelt zu einer Doppelspirale mit 16 Millimetern Durchmesser. (Bild: NASA, JPL / Caltech)
Insbesondere für die Anwendungen in der Astronomie haben die Forscher den neuen Verstärker entwickelt. Denn bei Beobachtungen des kosmischen Mikrowellen-Hintergrundes und in der Radiowellen-Astronomie ist eine gute Signalverstärkung unabdingbar. Von den vielfältigen Eigenschaften des neuen Modells erhoffen sich die Forscher aber auch weitere Anwendungsfelder.
Konventionelle Transistor-Verstärker besitzen zwar einen hohen Dynamikbereich und eine große Bandbreite; ihr Rauschen liegt allerdings deutlich über dem quantenmechanisch erzielbaren Limit. Parametrische Verstärker hingegen erreichen quantenmechanisch minimales Rauschverhalten, indem sie das schwache Eingangssignal durch ein Pumpsignal verstärken. Ihre Dynamik und Bandbreite lassen aber oft zu wünschen übrig. Aufgrund dieser Beschränkungen haben die Caltech-Forscher den neuen Verstärkertyp entwickelt, der von wenigen Gigahertz bis hin zu einem Terahertz funktioniert und Verstärkungen von 10 bis 20 Dezibel erreicht bei sehr geringem Rauschen.
Entscheidend für den parametrischen Wanderwellen-Verstärker ist der Einsatz supraleitenden Niob-Titan-Nitrids, das einen für Supraleiter hohen spezifischen Widerstand besitzt. Die nichtlinearen Eigenschaften dieses Werkstoffs erlauben einen zehnfach höheren Frequenzbereich als andere vergleichbar sensitive Verstärker.
Die Forscher erwarten, dass der neue Verstärkertyp sich nicht nur in der Millimeter- und Submillimeter-Teleskopie als nützlich erweist. In elektronischen Schaltkreisen könnte er auch dazu dienen, optische, ultraviolette und Röntgen-Signale zu verstärken. Aufgrund des minimalen Rauschverhaltens könnte man ihn sogar zur Erforschung der Quantenwelt einsetzen.
Dirk Eidemüller
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