Giver partikeldetektorer et løft:Ny enhed fungerer som en superledningskontakt

I partikelkollidere, der afslører de skjulte hemmeligheder om de mindste bestanddele af vores univers, efterlader små partikler ekstremt svage elektriske spor, når de genereres i enorme kollisioner. Nogle detektorer i disse faciliteter bruger superledning - et fænomen, hvor elektricitet transporteres med nul modstand ved lave temperaturer - for at fungere.

For at forskere mere præcist kan observere disse partiklers opførsel, skal disse svage elektriske signaler eller strømme multipliceres med et instrument, der er i stand til at forvandle et svagt elektrisk flimmer til et rigtigt stød.

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har udviklet en ny enhed, der fungerer som en "aktuel multiplikator." Denne enhed, kaldet en nanokryotron, er en prototype for en mekanisme, der kunne skrue op for en partikels elektriske signal højt nok til et niveau, hvor den midlertidigt slukker for materialets superledningsevne, hvilket i det væsentlige skaber en slags tænd-sluk-knap.

"Vi tager et lille signal og bruger det til at udløse en elektrisk kaskade," sagde Tomas Polakovic, en af ​​Argonnes Maria Goeppert Mayer Fellows og forfatter til undersøgelsen. "Vi kommer til at lede den meget lille strøm af disse detektorer ind i koblingsenheden, som derefter kan bruges til at skifte en meget større strøm."

At forberede nanokryotronen til et collider-eksperiment vil kræve noget mere arbejde på grund af de involverede høje magnetiske felter. Mens nutidens partikeldetektorer kan modstå magnetiske felter på adskillige tesla i styrke, forringes denne switchs ydeevne i høje magnetfelter.

"At finde måder at få enheden til at fungere i højere magnetiske felter er nøglen til at inkorporere den i et rigtigt eksperiment," sagde Argonne-uddannet forskningsassistent Timothy Draher, en anden forfatter til undersøgelsen.

For at gøre dette muligt planlægger forskerne at ændre materialets geometri og introducere defekter eller små huller. Disse defekter vil hjælpe forskere med at stabilisere små superledende hvirvler i materialet, hvis bevægelse kan føre til en uventet afbrydelse af superledning.

Nanokryotronen blev skabt ved at bruge elektronstrålelitografi, en slags stencileringsteknik, der bruger en elektronstråle til at fjerne en polymerfilm for at afsløre et bestemt område af interesse. Det område af interesse ætses derefter ved hjælp af plasmaionætsning.

"Vi fjerner stort set bare de dele, der er udsat, og efterlader den enhed, vi vil bruge," sagde Draher.

Ifølge Argonne-fysiker Valentine Novosad, en anden forfatter til undersøgelsen, kunne den nye enhed også tjene som grundlag for en slags elektronisk logisk kredsløb.

"Dette arbejde er især vigtigt for collider-eksperimenter, såsom dem, der vil blive udført ved Electron-Ion Collider ved Brookhaven National Laboratory. Der ville superledende nanotrådsdetektorer, placeret tæt på strålerne, kræve mikroelektronik, der er immun over for magnetiske felter," sagde Argonne Distinguished Fellow og gruppeleder Zein-Eddine Meziani.

Et papir baseret på undersøgelsen, "Design og ydeevne af parallel-kanal nanokryotroner i magnetiske felter," er offentliggjort i tidsskriftet Applied Physics Letters . Foruden Draher, Zein-Eddine, Polakovic og Novosad omfatter forfatterne Yi Li, John Pearson, Alan Dibos og Zhili Xiao.

Flere oplysninger: Timothy Draher et al., Design og ydeevne af parallel-kanal nanokryotroner i magnetiske felter, Applied Physics Letters (2023). DOI:10.1063/5.0180709

Leveret af Argonne National Laboratory