Föreställ dig en tråd med en tjocklek som är ungefär hundra tusen gånger mindre än ett människohår och endast synlig med världens kraftfullaste mikroskop. De kan komma i många varianter, inklusive halvledare, isolatorer och supraledare.

Forskare vid U.S. Department of Energys (DOE:s) Argonne National Laboratory rapporterar att de tillverkar och testar en supraledande nanotrådsenhet som är tillämplig på höghastighetsfotonräkning för kärnfysikexperiment som tidigare ansågs omöjliga. Denna enhet arbetar vid temperaturer nära absolut noll i magnetfält fyrtio gånger starkare än tidigare sådana enheter och kan detektera lågenergifotoner såväl som andra fundamentala partiklar.

"Detta förändrar spelet för vilken typ av partikeldetektor man kan designa och bygga, sa Zein-Eddine Meziani, senior fysiker på fysikavdelningen. "Tänk på detta som den första enheten av något som vi i slutändan kan koppla ihop många av dem för i olika konfigurationer för användning i olika kärnfysikexperiment."

Nyckelegenskapen för denna teknik är supraledning. I början av nittonhundratalet, Den holländska fysikern Heike Kamerlingh Onnes upptäckte den anmärkningsvärda egenskapen hos supraledning i metaller. Dessa supraledande material förlorar allt motstånd mot elektricitets rörelse vid en temperatur på nära absolut noll och har funnit många olika tillämpningar under det senaste århundradet.

"Vi valde som vårt material en av de första supraledande legeringarna som någonsin upptäckts, niobnitrid, " sa huvudförfattaren Tomas Polakovic, doktorand på fysikavdelningen. "Efter att först ha identifierats som en supraledare 1941, denna legering är mycket väl förstådd, är lätt att arbeta med, och fungerar i en miljö med högt magnetfält och intensivt strålningsbombardement."

För cirka 15 år sedan, forskare fann att de kunde tillverka niobiumnitrid i nanotrådform. Över åren, detta material har genomgått många förbättringar av olika forskargrupper runt om i världen för möjliga tillämpningar inom kvantkommunikation och avkänning.

Argonne-teamet kombinerade en kvävejonplasma med sputtering av niob för att bilda tunna filmer av niobiumnitrid på ett kiselsubstrat. Den resulterande filmen är bara 10 nanometer tjock, ungefär 100, 000 mindre än ett människohår. De formade sedan nanotråden till ett integrerat kretsliknande mönster.

När en nanotrådsdetektor som bär en stor ström absorberar en foton, supraledning är störd, skapa en lokal hotspot. Detta ger en kort signal, som räknar och mäts elektriskt, sedan återställer detektorn snabbt sin förlorade supraledning och fortsätter att räkna. Tester visade att enheten kan upptäcka individuella lågenergifotoner under de krävande förhållandena för kärnfysikexperiment.

Medan andra detektorer måste fungera vid omkring rumstemperatur utanför det slutna utrymmet där partiklar strömmar, forskare kommer att kunna placera Argonne nanotrådsdetektorn i det utrymmet eftersom den kan motstå de hårda förhållandena där:temperaturer nära absolut noll, ett starkt magnetfält, och hög partikelhastighet.

"I stället för att ersätta befintlig detektorteknik, vår teknik öppnar många nya möjligheter för kärnfysikexperiment, "sa medförfattare och Argonne-fysikern Whitney Armstrong.

Med blicken mot framtiden, Polakovic lade till, "Även om vi inte har testat den här hypotesen ännu, vår enhet ska kunna upptäcka och analysera signalerna från inte bara lågenergifotoner, men också enskilda elektroner, protoner och kärnor som helium-4, som består av två protoner och två neutroner."

Ett möjligt kärnfysikexperiment skulle innebära att använda Argonne-enheten i experiment med helium-4 för att testa den rådande teorin om atomkärnan, kvantkromodynamik.

Joseph Heremans, en fysiker vid Argonnes materialvetenskapsavdelning och Center for Molecular Engineering, arbetar redan med att införliva denna teknik i sin kvantforskning:"Utvecklingen av dessa snabba, robusta supraledande nanotrådsenheter är ett viktigt steg mot implementeringen av bredbandsdetektion av enfoton för kvantkommunikationstillämpningar."

"Uppfinnare förstår sällan till en början alla möjliga användningsområden för sina uppfinningar, "Tillade Meziani." Jag är säker på att det kommer att finnas alla slags idéer för banbrytande vetenskapliga experiment med vår supraledande nanotrådsenhet i framtiden. "

En artikel baserad på denna studie, "Supraledande nanotrådar som höghastighetsfotondetektorer i starka magnetfält, " framträdde i Kärntekniska instrument och metoder inom fysikforskning . Förutom Polakovic, Armstrong, och Meziani, författare är V. Yefremenko, J.E. Pearson, K. Hafidi, G. Karapetrov och V. Novosad.