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PASADENA, Calif. — investigadores en el Instituto de tecnología de California (Caltech) y Jet Propulsion Laboratory (JPL la NASA) han desarrollado un nuevo tipo de amplificador para impulsar las señales eléctricas. El dispositivo puede utilizarse para todo, desde estudiar estrellas, galaxias y agujeros negros a explorar el mundo cuántico y el desarrollo de ordenadores cuánticos.

“Este amplificador redefine lo que es posible medir,” dice Jonas Zmuidzinas, Merle Kingsley profesor del Caltech de física, el jefe técnico en JPL y un miembro del equipo de investigación.

Un amplificador es un dispositivo que aumenta la fuerza de una señal débil. “Amplificadores juegan un papel básico en una amplia gama de mediciones científicas y en la electrónica en general,” dice Peter Day, un visitante asociado en física en el Caltech y un científico principal en el JPL. “Para muchas tareas, amplificadores de corriente son suficientemente buenos. Pero para las aplicaciones más exigentes, las deficiencias de las tecnologías disponibles nos limitan.

Amplificadores de transistor convencional — como las que el poder de los altavoces del automóvil — para un gran rango de frecuencias. Ellos también pueden impulsar las señales que van desde los débiles a los fuertes, y este llamado rango dinámico permite a los altavoces reproducir las piezas tranquilas y fuertes de una canción. Pero cuando se necesita un amplificador extremadamente sensible — por ejemplo, para impulsar las ondas de radio débiles, alta frecuencia de galaxias distantes — amplificadores de transistor tienden a introducir demasiado ruido, resultando en una señal de que es más potente pero menos clara.

Un tipo de amplificador altamente sensible es un amplificador paramétrico, que impulsa una débil señal de entrada mediante el uso de una señal fuerte llamada la señal de la bomba. Como ambas señales viajan a través del instrumento, la señal de la bomba inyecta energía en la señal débil, por lo tanto, amplificando lo.

Hace unos 50 años Amnon Yariv, Martin de Caltech y Eileen Summerfield profesor de física aplicada y de la ingeniería eléctrica, mostraron que este tipo de amplificador produce un ruido tan poco como sea posible: el único ruido que debe producir es el inevitable ruido causado por la manipulación de átomos y olas según las leyes de la mecánica cuántica. El problema con muchos amplificadores paramétricos y dispositivos sensibles que, sin embargo, es que pueden amplificar sólo una gama de frecuencia estrecha y a menudo tienen un pobre rango dinámico.

Pero los investigadores de Caltech y JPL dicen su nuevo amplificador, que es un tipo de amplificador paramétrico, combina sólo las mejores características de otros amplificadores. Opera en un rango de frecuencia más de diez veces más amplio que otros amplificadores comparablemente sensibles, pueden amplificar señales fuertes sin distorsión y presenta casi la menor cantidad de ruido inevitable. En principio, dicen los investigadores, mejoras en el diseño deben ser capaces de reducir el ruido al mínimo absoluto. Versiones del amplificador pueden ser diseñadas para funcionar en frecuencias que van desde unos gigahercio hasta un terahertz (1.000 GHz). En comparación, un gigahercio es aproximadamente 10 veces mayor que el comerciales FM señales de radio en los Estados Unidos, que van desde alrededor de 88 a 108 MHz (1 GHz es 1.000 MHz).

El nuevo amplificador consta de un material superconductor (nitruro de titanio niobio) enrollado en una doble espiral 16 milímetros de diámetro.

(Foto cortesía: Peter día)

“Nuestro nuevo amplificador tiene todo”, dice Zmuidzinas. “Puedes tener tu pastel y comer también.”

El equipo había descrito recientemente el nuevo instrumento en el diario de naturaleza física.

Una de las principales características del nuevo amplificador paramétrico es que incorpora los superconductores, materiales que permiten una corriente eléctrica fluya con cero resistencia cuando bajó a ciertas temperaturas. Para su amplificador, los investigadores están utilizando nitruro de titanio (TiN) y nitruro de titanio niobio (NbTiN), que tienen sólo las propiedades adecuadas para permitir que la señal de la bomba amplificar la señal débil.

Aunque el amplificador tiene un host de aplicaciones potenciales, la razón, que los investigadores construyeron el dispositivo fue para ayudarles a estudiar el universo. El equipo creó el instrumento para impulsar las señales de microondas, pero el nuevo diseño puede utilizarse para construir amplificadores que ayudan a los astrónomos observar en una amplia gama de longitudes de onda de las ondas de radio a los rayos X.

Por ejemplo, dice el equipo, el instrumento puede directamente amplificar señales de radio procedentes de fuentes débiles como distantes galaxias, agujeros negros u otros objetos exóticos cósmicas. Impulsar las señales en milímetro a longitudes de onda submillimeter (entre radio e infrarrojos) permitirá a los astrónomos estudiar el fondo cósmico de microondas — afterglow del big bang — y a los compañeros detrás de las nubes de polvo de galaxias para estudiar los nacimientos de estrellas o galaxias primigenia de la sonda. El equipo ya ha comenzado a trabajar para producir este tipo de dispositivos para Owens Valley Radio Observatorio (OVRO) del Caltech cerca de Bishop, California, unos 250 kilómetros al norte de Los Angeles.

Estos amplificadores, dice Zmuidzinas, podrían incorporarse en el telescopio de matrices como la matriz combinada para la investigación en astronomía de ondas milimétricas en OVRO, que es un miembro del consorcio, Caltech y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array en Chile.

En lugar de directamente amplificar una señal astronómica, el instrumento puede utilizarse para aumentar la señal electrónica de un detector de luz en un telescopio de rayos x óptico, ultravioleta o incluso, haciéndolo más fácil para los astrónomos tease objetos tenues.

Debido a que el instrumento es tan sensible y presenta un mínimo ruido, también puede utilizarse para explorar el mundo cuántico. Por ejemplo, Keith Schwab, un profesor de física aplicada en Caltech, planea utilizar el amplificador para medir el comportamiento de los diminutos dispositivos mecánicos que operan en el límite entre la física clásica y el extraño mundo de la mecánica cuántica. El amplificador también podría utilizarse en las computadoras cuánticas de desarrollo — que son aún más allá de nuestro alcance tecnológico pero debe ser capaz de resolver algunos de los problemas más difíciles de la ciencia mucho más rápidamente que cualquier equipo regular.

“Es difícil predecir lo que todas las aplicaciones se van a terminar siendo, pero un amplificador casi perfecto es una cosa muy práctica tener en su bolsa de trucos”, dice Zmuidzinas. Y mediante la creación de su nuevo dispositivo, los investigadores han demostrado que es posible construir un amplificador esencialmente perfecto. “Nuestro instrumento todavía tiene algunas asperezas que necesitan pulir antes que llamaríamos perfecto, pero pensamos que nuestros resultados hasta ahora muestran que podemos llegar”.

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