I partikelkolliderar som avslöjar de dolda hemligheterna hos de minsta beståndsdelarna i vårt universum, lämnar små partiklar efter extremt svaga elektriska spår när de genereras i enorma kollisioner. Vissa detektorer i dessa anläggningar använder supraledning – ett fenomen där elektricitet transporteras med noll motstånd vid låga temperaturer – för att fungera.
För att forskare ska kunna observera beteendet hos dessa partiklar mer exakt måste dessa svaga elektriska signaler, eller strömmar, multipliceras med ett instrument som kan förvandla ett svagt elektriskt flimmer till ett riktigt ryck.
Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory har utvecklat en ny enhet som fungerar som en "strömmultiplikator". Den här enheten, som kallas en nanokryotron, är en prototyp för en mekanism som skulle kunna skruva upp en partikels elektriska signal tillräckligt högt till en nivå där den tillfälligt stänger av materialets supraledning, vilket i huvudsak skapar en slags på/av-brytare.
"Vi tar en liten signal och använder den för att utlösa en elektrisk kaskad", säger Tomas Polakovic, en av Argonnes Maria Goeppert Mayer Fellows och författare till studien. "Vi kommer att kanalisera den mycket lilla strömmen från dessa detektorer till omkopplingsenheten, som sedan kan användas för att koppla om en mycket större ström."
Att förbereda nanokryotronen för ett kolliderexperiment kommer att ta lite mer arbete på grund av de höga magnetfälten som är involverade. Medan dagens partikeldetektorer kan motstå magnetfält av flera tesla i styrka, försämras denna switchs prestanda i höga magnetfält.
"Att hitta sätt att få enheten att fungera i högre magnetfält är nyckeln till att integrera den i ett verkligt experiment", säger Argonne doktorandforskare Timothy Draher, en annan författare till studien.
För att göra detta möjligt planerar forskarna att ändra materialets geometri och introducera defekter, eller små hål. Dessa defekter kommer att hjälpa forskare att stabilisera små supraledande virvlar i materialet, vars rörelse kan leda till en oväntad störning av supraledning.
Nanokryotronen skapades genom att använda elektronstrålelitografi, en slags stencileringsteknik som använder en elektronstråle för att ta bort en polymerfilm för att exponera en viss region av intresse. Det området av intresse etsas sedan med användning av plasmajonetsning.
"Vi tar i princip bara bort de delar som är exponerade och lämnar kvar enheten som vi vill använda," sa Draher.
Enligt Argonne-fysikern Valentine Novosad, en annan författare till studien, kan den nya enheten också tjäna som grund för ett slags elektronisk logikkrets.
"Detta arbete är särskilt viktigt för kolliderexperiment, som de som kommer att utföras vid Electron-Ion Collider vid Brookhaven National Laboratory. Där skulle supraledande nanotrådsdetektorer, placerade nära strålarna, kräva mikroelektronik som är immun mot magnetfält", säger han. Argonne Distinguished Fellow och gruppledare Zein-Eddine Meziani.
En artikel baserad på studien, "Design and performance of parallell-channel nanoryotrons in magnetic fields," publiceras i tidskriften Applied Physics Letters . Förutom Draher, Zein-Eddine, Polakovic och Novosad, inkluderar författare Yi Li, John Pearson, Alan Dibos och Zhili Xiao.
Mer information: Timothy Draher et al, Design och prestanda för parallellkanals nanokryotroner i magnetiska fält, Applied Physics Letters (2023). DOI:10.1063/5.0180709
Tillhandahålls av Argonne National Laboratory
