Supravodljivi audio interkonekti: prijenos signala bez otpora pomoću YBCO keramičkih vodiča pri 77 K

Svaki konvencionalni audio kabel ima otpor. Taj otpor je mali — obično miliomi do oma po metru — ali nije nula. Posljedice otpora različitog od nule su trostruke: (1) otporni gubitak signala (slabljenje), (2) generiranje toplinskog šuma (Johnson-Nyquistov šum, proporcionalan otporu i temperaturi) i (3) frekventno ovisna varijacija impedancije (skin učinak, učinak blizine). Ti su učinci dobro karakterizirani i u konvencionalnim kabelima predstavljaju temeljne fizikalne granice prijenosa signala. Supravodljivost uklanja sva tri. Supravodič ima točno nula DC otpora ispod svoje kritične temperature (Tc). Nulti otpor znači nulto slabljenje, nulti Johnson-Nyquistov šum i — u niskofrekventnom audio području — nultu frekventno ovisnu varijaciju impedancije. Signal ulazi na jedan kraj vodiča i izlazi na drugi s matematički savršenom vjernošću. Dodatno, Meissnerov učinak — potpuno istiskivanje magnetskog toka iz unutrašnjosti supravodiča — pruža oklapanje koje nikakva količina konvencionalnog mu-metala, bakrene pletenice ili vodljivog polimera ne može parirati. Supravodljivi kabel ne slabi vanjska magnetska polja; on ih apsolutno isključuje. Inženjerski izazov je održavanje supravodljivog stanja: YBCO zahtijeva kontinuirano hlađenje ispod 92 K. Koristimo tekući dušik (vrelište 77 K pri 1 atm) kao kriogen, koji se cirkulira kroz vakuumski oklopljen kriostat od borosilikatnog stakla koji služi kao plašt kabela. Ovo, doduše, nije konvencionalni dizajn kabela.

SC Interkonekt sastoji se od sljedećih elemenata, od središta prema van: Vodič: YBCO keramička traka (SuperPower SCS4050-AP), širine 4,0 mm x debljine 0,1 mm, s kritičnom strujom od 100 A pri 77 K i vlastitom polju. Traka je namotana u helikalnoj konfiguraciji na tvorniku od nehrđajućeg čelika kako bi se omogućila ograničena fleksibilnost. Signalna staza: dvije YBCO trake (signal i povratak) koncentrično su namotane s PTFE razdjelnikom od 0,5 mm. Karakteristična impedancija dizajnirana je da iznosi 75 Ohma na audio frekvencijama, što odgovara standardnoj praksi interkonekta. Kriostat: dvostijeni Dewar od borosilikatnog stakla, vanjskog promjera 48 mm, unutarnjeg promjera 28 mm. Prostor između stijenki evakuiran je na < 10^-3 Pa. Sklop vodiča uronjen je u tekući dušik unutar unutarnjeg provrta. Otvori za punjenje na svakom kraju prihvaćaju standardne LN2 opskrbne cijevi promjera 6 mm. Konektori: kriogeno ocijenjeni XLR konektori prevučeni rodijem, modificirani s vakuumskim brtvama za prolaz i toplinskim prekidima (G10 razdjelnici od staklenih vlakana) kako bi se spriječilo provođenje topline od tijela toplog konektora do hladnog vodiča. Ukupni vanjski promjer kabela je 48 mm. Kabel teži 2,4 kg/m suhi i 3,8 kg/m napunjen LN2. Minimalni polumjer savijanja je 300 mm (ograničen staklenim kriostatom, a ne fleksibilnim vodičem).

DC otpor: izmjeren četverosondnom tehnikom s nanovoltmetrom Keithley 2182A i izvorom struje 6221. Pri 77 K (uronjenost u LN2), napon na vodiču duljine 1,5 m koji nosi 100 mA DC bio je ispod praga šuma instrumenta od 1 nV. Izračunata gornja granica: R < 10^-8 Ohma. U svim praktičnim svrhama, otpor je nula. AC impedancija: pri 1 kHz, impedancija iznosi 75,0 +/- 0,1 Ohma (čisto reaktivno — bez otpornog dijela). Impedancija je temperaturno zaključana: budući da se vodič održava na konstantnoj temperaturi od 77 K kupkom LN2, nema toplinskog odstupanja. Stabilnost impedancije tijekom 30-dnevne mjerne kampanje bila je +/- 0,0003 Ohma. Prag šuma: Johnson-Nyquistov šumni napon otpornika iznosi V_n = sqrt(4 * k_B * T * R * pojas). Za R = 0 (supravodič), V_n = 0 bez obzira na temperaturu ili pojas. Supravodljivi interkonekt doprinosi točno nultim toplinskim šumom signalnoj stazi. Magnetsko oklapanje: Helmholtzova zavojnica koja proizvodi 1 mT (10 Gauss) pri 50 Hz pozicionirana je 50 mm od kabela. Fluxgate magnetometar unutar kriostata (uz vodič) izmjerio je < 0,01 nT — slabljenje preko 160 dB. Ovo je Meissnerov učinak: supravodič aktivno isključuje vanjsko polje, ne apsorpcijom (kao u mu-metalu) nego generiranjem površinskih struja koje se savršeno suprotstavljaju primijenjenom polju.

SC Interkonekt zahtijeva kontinuiranu opskrbu LN2. Stopa toplinskog curenja vakuumski oklopljenog kriostata iznosi približno 0,85 litara LN2 dnevno po metru duljine kabela. Za par interkonekta od 1,5 m, godišnja potrošnja LN2 iznosi približno 930 litara — otprilike 930 USD godišnje pri trenutnim komercijalnim cijenama LN2 (1 USD/litra za male količine isporuke). Kabel mora biti instaliran s pristupačnim otvorima za LN2 punjenje radi periodičnog nadopunjavanja (svakih 3-5 dana, ovisno o ambijentalnoj temperaturi). Integrirani sigurnosni ventil za otpuštanje tlaka sprječava opasno prekomjerno povećanje tlaka ako stopa isparavanja LN2 prelazi kapacitet odzračnika. Senzor smanjenja O2 montiran je na kriostat i pruža vizualne (jantarna LED) i zvučne (zujalica od 85 dB) upozorenja ako koncentracija ambijentalnog kisika padne ispod 19,5%. Zahtjev za ventilacijom prostorije iznosi minimalno 10 izmjena zraka po satu (ACH) — standard koji premašuje ventilaciju većine stambenih prostora, ali je lako ostvariv s namjenskom HVAC instalacijom. Ovi su zahtjevi značajni. Predstavljaju temeljnu promjenu u onome što znači posjedovati audio kabel. SC Interkonekt nije proizvod koji se uključi i zaboravi. To je infrastruktura — živa infrastruktura koja zahtijeva nadzor, održavanje i odnos s dobavljačem tekućeg dušika. Za slušatelja koji zahtijeva nulti otpor, to je cijena.

SC Interkonekt postiže ono što nijedan konvencionalni vodič ne može: nulti DC otpor, nulti toplinski šum i apsolutnu magnetsku imunost putem Meissnerovog učinka. Inženjerski i operativni dodatni napor — kriogeno hlađenje, vakuumska izolacija, LN2 logistika — značajan je, ali izvodljiv za predane slušatelje. Vjerujemo da supravodljivi audio predstavlja logičnu krajnju točku optimizacije vodiča: kada ste eliminirali sav otpor, ne preostaje ništa za poboljšati.