Når superledning materialevidenskab møder kernefysik

Forestil dig en ledning med en tykkelse, der er cirka hundrede tusinde gange mindre end et menneskehår, og som kun er synlig med verdens mest kraftfulde mikroskoper. De kan komme i mange varianter, inklusive halvledere, isolatorer og superledere.

Forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE's) Argonne National Laboratory-rapport fremstillede og testede en superledende nanotrådsenhed, der kan anvendes til højhastigheds foton tælling til atomfysiske eksperimenter, der tidligere blev antaget umulige. Denne enhed fungerer ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt i magnetiske felter fyrre gange stærkere end tidligere sådanne enheder og er i stand til at detektere lavenergifotoner såvel som andre fundamentale partikler.

"Dette ændrer spillet for den type partikeldetektor, man kan designe og bygge, " sagde Zein-Eddine Meziani, seniorfysiker i fysikafdelingen. "Tænk på dette som den første enhed af noget, som vi i sidste ende kan forbinde mange af dem til i forskellige konfigurationer til brug i forskellige kernefysiske eksperimenter."

Den vigtigste egenskab ved denne teknologi er superledning. I begyndelsen af ​​det tyvende århundrede, Den hollandske fysiker Heike Kamerlingh Onnes opdagede den bemærkelsesværdige egenskab ved superledning i metaller. Disse superledende materialer mister al modstand mod bevægelse af elektricitet ved en temperatur på næsten det absolutte nulpunkt og har fundet mange forskellige anvendelser i løbet af det sidste århundrede.

"Vi valgte som vores materiale en af ​​de første superledende legeringer, der nogensinde er opdaget, niobiumnitrid, " sagde hovedforfatter Tomas Polakovic, kandidatstuderende i fysikafdelingen. "Efter først at være blevet identificeret som en superleder i 1941, denne legering er ekstremt godt forstået, er nem at arbejde med, og fungerer i et miljø med højt magnetfelt og intenst strålingsbombardement."

For omkring 15 år siden, videnskabsmænd fandt ud af, at de kunne fremstille niobiumnitrid i nanotrådform. I årenes løb, dette materiale har gennemgået mange forbedringer af forskellige forskningsgrupper rundt om i verden for mulige anvendelser inden for kvantekommunikation og sansning.

Argonne-teamet kombinerede et nitrogenionplasma med sputtering af niobium for at danne tynde film af niobiumnitrid på et siliciumsubstrat. Den resulterende film er kun 10 nanometer tyk, omkring 100, 000 mindre end et menneskehår. De formede derefter nanotråden til et integreret kredsløb-lignende mønster.

Når en nanotrådsdetektor, der bærer en stor strøm, absorberer en foton, superledning er forstyrret, skabe et lokalt hot spot. Dette giver et kort signal, som tælles og måles elektrisk så genvinder detektoren hurtigt sin tabte superledning og fortsætter med at tælle. Test viste, at enheden kan detektere individuelle lavenergifotoner under de krævende betingelser for kernefysiske eksperimenter.

Mens andre detektorer skal fungere ved omkring stuetemperatur uden for det lukkede rum, hvor partikler strømmer, forskere vil være i stand til at placere Argonne nanotrådsdetektoren i dette rum, fordi den kan modstå de barske forhold deri:temperaturer nær det absolutte nulpunkt, et stærkt magnetfelt, og høj partikelhastighed.

"I stedet for at erstatte eksisterende detektorteknologi, vores teknologi åbner mange nye muligheder for kernefysiske eksperimenter, " sagde medforfatter og Argonne-fysiker Whitney Armstrong.

Ser man på fremtiden, Polakovic tilføjede, "Selvom vi ikke har testet denne hypotese endnu, vores enhed skulle være i stand til at detektere og analysere signalerne fra ikke kun lavenergifotoner, men også individuelle elektroner, protoner og kerner som helium-4, som består af to protoner og to neutroner."

Et muligt kernefysikeksperiment ville involvere at bruge Argonne-enheden i eksperimenter med helium-4 for at teste den herskende teori om atomkernen, kvantekromodynamik.

Joseph Heremans, en fysiker i Argonne's Materials Science division og Center for Molecular Engineering, arbejder allerede på at inkorporere denne teknologi i sin kvanteforskning:"Udviklingen af ​​disse hurtige, robuste superledende nanotrådenheder er et vigtigt skridt mod implementeringen af ​​bredbånds-enkeltfoton-detektion til kvantekommunikationsapplikationer."

"Opfindere forstår sjældent i begyndelsen alle mulige anvendelser af deres opfindelser, " tilføjede Meziani. "Jeg er sikker på, at der vil være alle slags ideer til banebrydende videnskabelige eksperimenter med vores superledende nanotrådsenhed i fremtiden."

Et papir baseret på denne undersøgelse, "Superledende nanotråde som højhastighedsfotondetektorer i stærke magnetiske felter, "dukkede op i Nukleare instrumenter og metoder i fysikforskning . Ud over Polakovic, Armstrong, og Meziani, forfattere er V. Yefremenko, J.E. Pearson, K. Hafidi, G. Karapetrov og V. Novosad.