액시온 감지의 혁신: Moku가 어떻게 DESY의 ALPS 연구를 선도하는가에 관하여

개요

Any Light Particle Search(ALPS)는 함부르크에 있는 기초 과학을 위한 세계적으로 유명한 연구 기관이자 독일 최대의 가속기 센터인 Deutsches Elektronen-Synchrotron(DESY)의 연구 그룹입니다(그림 1). 이 기관의 모토인 "물질의 해독"에 따라 박사후 연구원 토드 코즐로프스키 우주의 암흑 물질과 같은 물리 현상을 더 잘 이해하기 위한 액시온 감지 프로젝트를 진행하고 있습니다. Axel Lindner가 이끄는 Todd와 ALPS 연구 그룹의 나머지 구성원은 적외선 간섭법과 극히 약한 신호의 헤테로다인 감지를 사용하여 수용된 입자 물리학 모델을 확장하여 우주를 설명하는 새로운 빛 입자를 포함한 이론을 개발하고 있습니다. "벽을 통해 빛을 비추는 것"이라는 임무 목표를 정한 이 그룹은 약하게 상호 작용하는 하위 eV 입자(WISP) 또는 더 구체적으로 액시온이라고 하는 입자를 감지하는 것을 목표로 합니다. 레이저 빛은 벽에 의해 차단되지만 액시온은 통과할 수 있습니다. 4개 사용 Moku:Lab 장치와 하나 Moku:Pro 장치를 사용하여 Todd와 그의 팀은 연구 목표를 향해 놀라운 진전을 이루었습니다. Moku:Lab 및 Moku:Pro는 일반적인 벤치 필수 장비부터 15개 이상의 테스트 장비를 제공하는 올인원 FPGA 기반 장치입니다. 오실로스코프 스펙트럼 분석기, 다음과 같은 강력한 광학 장비에 락인 증폭기 레이저 락 박스.

난제

토드 연구팀은 매우 높은 단위 이득 주파수와 극도로 좁은 선폭을 가진 광학 공진기에 레이저를 주파수 안정화시키려는 시도를 하고 있습니다. 실제로 이 공진기는 세계에서 가장 좁은 선폭을 가진 광학 공진기이기 때문에 주파수 고정이 매우 어렵습니다(그림 2). 많은 광학 연구자들과 마찬가지로, 연구팀은 아날로그 시스템을 직접 제작했지만, 곧 실험에 필요한 유연성을 충족시키지 못한다는 것을 깨달았습니다. 또한, 연구팀은 공진기 반사에 비트 노트로 각인된 액시온에서 재생된 광자 신호를 찾고 있습니다. 이러한 장은 매우 약해서, 그에 상응하는 전력은 하루에 측정되는 단 하나의 광자 수준입니다. 게다가, 빛 입자가 액시온으로 변환될 확률은 단 1:1014¹⁴에 불과하므로, 연구팀은 귀중한 데이터를 조금이라도 잃어서는 안 됩니다.

해법

Todd와 그의 팀은 Moku가 단순한 직관적 사용자 인터페이스 이상이라는 것을 즉시 알아챘습니다. 최첨단 과학을 가속화하기 위한 고성능 계측기 전체를 ​​제공하는 전문가급 솔루션입니다. 아날로그 전자 장치를 Moku로 교체함으로써 팀은 유연성이 향상되었고 데이터 로깅을 간소화하면서 설계를 빠르게 반복할 수 있는 능력이 향상되어 소프트웨어 정의 계측기를 채택하는 것과 관련된 모든 주저함이 빠르게 해소되었습니다. 실험과 쉽게 통합할 수 있다는 것 외에도 모쿠 맞춤형으로 설계된 과학 등급 아날로그 계측기의 정확도를 상자에서 꺼내자마자 바로 맞출 수 있었습니다. 그들은 다음을 활용하여 즉시 결과를 얻었습니다. 락인 증폭기, 디지털 필터 박스, 레이저 락 박스, 및 기타(그림 3). 전환 위치 Moku:Lab Moku:Pro연구원들은 레이저 주파수를 공동에 즉시 잠글 수 있었습니다. 파운드-드레버-홀(PDH) 기술이를 통해 기존 시스템을 효과적으로 교체하여 팀이 시스템을 더욱 최적화할 시간을 확보했습니다. 토드 팀은 레이저 주파수를 광학 공동에 고정해야 할 뿐만 아니라 매우 미약한 신호도 감지해야 했기 때문에 록인 증폭기를 찾을 때 다시 한번 모쿠(Moku) 장비를 선택했습니다. 토드는 "이 데이터를 처리하는 더 나은 방법을 생각해낼 수 있었을지 모르겠습니다."라고 말하며 "모쿠는 당연한 선택이었습니다."라고 덧붙였습니다. 두 대의 모쿠 장비는 스펙트럼 분석기를 사용하여 시스템의 위상 고정을 모니터링하고, 마이크로볼트(µV) 수준까지 신호를 분석하여 모든 레이저가 서로 동기화되는 "고정" 상태를 유지하도록 합니다. 이후 두 대의 모쿠 장비가 록인 증폭기를 작동시켜 헤테로다인 간섭계를 통해 일부 전압이 나노볼트(nV) 미만인 신호를 판독합니다.

결과

Todd와 그의 팀은 두 개의 빛 필드(하나는 강한 필드, 다른 하나는 매우 약한 필드) 사이에서 믿을 수 없을 정도로 약한 비트 노트 신호를 생성할 수 있습니다. 간섭으로 인해 발생하는 작은 비트 음표는 광 검출기에 입사된 후 Moku:Lab Lock-in Amplifier에 의해 측정됩니다(그림 4). 이 솔루션은 예상되는 발생 주파수에서 신호를 복조하므로 Todd는 헤테로다인 혼합의 약한 장에서 매우 낮은 신호 속도를 여러 시간에 걸쳐 단일 광자 정도까지 분해할 수 있습니다. 이러한 신호는 몇 시간의 데이터 로깅이 완료될 때까지 스스로 해결되지 않습니다. 이 데이터는 모두 Lock-in Amplifier에 내장된 데이터 로거 장비로 수집되므로 신호 정보를 SD 카드에 기록하기 위해 값비싼 추가 장비가 필요하지 않습니다. 데이터 로깅. 연구진은 Moku:Pro를 활용하여 예상치 못한 문제들을 해결할 수 있었습니다. 예를 들어 실험 구조에 작은 변화가 생겨 위상 고정 루프(PLL)가 필요하게 되었을 때, Moku:Pro를 PLL로 즉시 구현하여 요구 사항 변경으로 인한 차질을 피할 수 있었습니다. 토드는 "우리는 신속하게 해결책이 필요했습니다."라고 말하며, "Moku:Pro를 클린룸에 반입한 시점부터 루프가 작동하기까지 불과 몇 시간밖에 걸리지 않았습니다."라고 덧붙였습니다. Moku:Pro를 사용하면 레이저 록 박스(Laser Lock Box)와 스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer)를 다중 기기 모드(Multi-Instrument Mode)로 활용하여 원하는 박자를 분석하면서 동시에 위상 고정을 유지할 수 있습니다.

맺음말

토드와 그의 연구팀은 연구를 발전시키기 위해 다양한 응용 분야에 활용 가능하고 클럭 안정성, 아날로그-디지털 변환기(ADC) 잡음, 디지털-아날로그 변환기(DAC) 잡음 등 필요한 사양을 충족하는 유연한 테스트 장비가 필요했습니다. Moku 플랫폼은 이러한 요구 사항을 모두 충족했을 뿐만 아니라, 연구팀이 신호를 모니터링하고 데이터를 기록하며 물리학 분야의 가장 큰 측정 난제를 해결할 수 있도록 중요한 계측 장비를 제공했습니다. 연구팀은 앞으로도 실험에 Moku 장치를 계속 사용할 계획이며, 현재 API를 통해 장치를 제어하는 ​​방안을 연구 중입니다. 지금까지 DESY의 글로벌 제어 시스템을 통해 Moku Python API(그림 5)를 사용하여 6개의 Moku 장치와 5개의 서로 다른 계측 장비를 원격으로 제어하고 데이터를 스트리밍하는 데 성공했습니다. DESY에서 Todd와 그의 팀의 연구에 대해 자세히 알아보려면 다음을 클릭하세요. 여기에서 확인하세요궁금한 점이 있으시면 언제든지 문의해 주세요. 여기에서 확인하세요.

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