論文の概要: Overcoming the Thermal-Noise Limit of Microwave Measurements by Pre-cooling with an Active Cold Load

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2408.05371v3
• Date: Sun, 08 Dec 2024 20:28:13 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-12-10 14:48:38.133358
• Title: Overcoming the Thermal-Noise Limit of Microwave Measurements by Pre-cooling with an Active Cold Load
• Title（参考訳）: アクティブ冷荷重による予冷却によるマイクロ波計測の熱雑音限界の克服
• Authors: Kuan-Cheng Chen, Mark Oxborrow,
• Abstract要約: 本稿では,マイクロ波空洞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「アクティブ予冷却(APC)」法を提案する。 この負荷は商業用低雑音増幅器(LNA)の入力の形を取る。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.34530027457862006
• License:
• Abstract: We introduce a method, which we here name ``active pre-cooling'' (APC), 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 radio-frequency resonator. The removal is achieved by temporarily over-coupling the cavity's modes to an active cold load (ACL). We report a room-temperature bench-top demonstration of the method, where this load takes the form of the input of a commercial low-noise amplifier (LNA). No isolator is inserted between the LNA's input and the cavity's coupling port. The noise temperature of a monitored microwave mode drops to 123 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. Modeling indicates the feasibility, for realistic mode quality factors and couplings, of cooling the room-temperature cavity's modes 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 simple and generally applicable approach to improving the sensitivity and/or read-out speed in pulsed and time-resolved EPR spectroscopy, quantum detection and other radiometric measurements. It provides a first-stage cold reservoir (of microwave photons) for other, deeper cooling methods to work from and, through the use of cryogenic ACLs (realized, in the first instance, as the inputs of existing cryogenic low-noise amplifiers), the method could itself be directly extended to lower temperature regimes.
• Abstract（参考訳）: 本稿では,マイクロ波空洞の電磁モードや電波共振器の代替形態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「アクティブ予冷却(APC)」という手法を紹介する。 この除去は、キャビティモードをアクティブコールドロード(ACL)に一時的にオーバーカップリングすることで達成される。 本手法の室温ベンチトップ実験を行い,商業用低雑音増幅器 (LNA) の入力形式を取り入れた。 LNAの入力と空洞の結合ポートの間にアイソレータは挿入されない。 予冷却キャビティを時間分解型(tr-)EPRスペクトロメータに組み込むと, 従来の tr-EPR 測定よりも5倍の速度で, 同じ精度で, 感度で, 従来の tr-EPR 測定よりも5倍早く, 信号-雑音比の複合的な改善が観測された。 モデリングは、室温キャビティのモードを数ミリ秒まで冷却する現実的なモード品質要因とカップリングの実現可能性を示し、この寒さは数十マイクロ秒持続する一方で、キャビティとその内容は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疑問視される。 この方法では、パルスおよび時間分解型EPR分光法、量子検出法、その他の放射能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の、単純で一般的なアプローチを提供する。 マイクロ波光子の第1段冷保存装置で、低温のACL(最初の例では、既存の低温の低ノイズ増幅器の入力として実現)を使うことで、より深い冷却方法が動作し、より低温のレギュレーションに直接拡張できる。

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