論文の概要: Overcoming the Thermal-Noise Limit of Room-Temperature Microwave Measurements by Cavity Pre-cooling with a Low-Noise Amplifier. Application to Time-resolved Electron Paramagnetic Resonance
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2408.05371v1
- Date: Fri, 9 Aug 2024 22:43:29 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-08-13 19:21:55.224693
- Title: Overcoming the Thermal-Noise Limit of Room-Temperature Microwave Measurements by Cavity Pre-cooling with a Low-Noise Amplifier. Application to Time-resolved Electron Paramagnetic Resonance
- Title（参考訳）: 低雑音増幅器を用いたキャビティ予冷却による室温マイクロ波測定の熱雑音限界の克服と時間分解型電子パラ磁気共鳴への応用
- Authors: Kuan-Cheng Chen, Mark Oxborrow,
- Abstract要約: 空洞前冷却(CPC)は、測定を行う直前に、室温でマイクロ波空洞の電磁モードを占有する有害な熱光子の大部分が除去される。
HEMTをベースとした商用低雑音増幅器 (LNA) の入力を再利用し, 一時的に空洞に過結合した光子吸収型コールドロードとして機能する。
概念実証実験では、モニターされたマイクロ波モードのノイズ温度が室温以下から108Kに低下する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.34530027457862006
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
- Abstract: We demonstrate an inexpensive, bench-top method, which we here name cavity pre-cooling (CPC), for removing, just prior to performing a measurement, a large fraction of the deleterious thermal photons that would otherwise occupy the electromagnetic modes of a microwave cavity (or some alternative form of rf resonator) at room temperature. Our method repurposes the input of a commercial HEMT-based low-noise amplifier (LNA) to serve as a photon-absorbing cold load that is temporarily over-coupled to the cavity. No isolator is inserted between the LNA and the coupling port of the cavity. In a proof-of-concept experiment, the noise temperature of a monitored microwave mode drops from a little below room temperature to approx 108 K. Upon incorporating our pre-coolable cavity into a time-resolved (tr-) EPR spectrometer, a commensurate improvement in the signal-to-noise ratio is observed, corresponding to a factor-of-5 speed up over a conventional tr-EPR measurement at room temperature for the same precision and/or sensitivity. Simulations indicate the feasibility, for realistic Q factors and couplings, of cooling the temperatures of the modes of a cavity down to a few tens of K, and for this coldness to last several tens of microseconds whilst the cavity and its contents are optimally interrogated by a microwave tone or pulse sequence. The method thus provides a generally applicable and extremely convenient approach to improving the sensitivity and/or read-out speed in pulsed or time-resolved EPR spectroscopy, quantum detection and other radiometric measurements performed at or near room temperature. It also provides a first-stage cold reservoir (of microwave photons) for deeper cooling methods to work from.
- Abstract（参考訳）: 室温でマイクロ波空洞(またはrf共振器の一種)の電磁モードを占有する劣化熱光子の大部分が、測定を行う直前に除去する、安価なベンチトップ法を実証した。
HEMTをベースとした商用低雑音増幅器 (LNA) の入力を再利用し, 一時的に空洞に過結合した光子吸収型コールドロードとして機能する。
LNAと空洞のカップリングポートとの間にアイソレータは挿入されない。
コンセプション・オブ・コンセプト実験では, 室温以下から108Kまでのマイクロ波モードのノイズ温度が低下し, 予冷却可能なキャビティを時間分解型(tr-)EPR分光計に組み込むと, 同じ精度および感度の室温での従来のtr-EPR測定よりも5倍の速度で信号対雑音比の複合的な改善が観測された。
シミュレーションでは、空洞のモードの温度を数十Kまで冷却する現実的なQ因子とカップリングの実現可能性を示し、空洞とその内容がマイクロ波トーンまたはパルスシーケンスによって最適に問合せされる間、この寒さは数十マイクロ秒持続することを示す。
この方法は、パルスまたは時間分解EPR分光法、量子検出法、および室温付近で実施された他の放射測定における感度および/または読み出し速度を改善するために、一般的に適用され、非常に便利なアプローチを提供する。
また、マイクロ波光子の第一段冷蔵装置も備えており、より深い冷却方法が利用できる。
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