In Teilchenbeschleunigern, die die verborgenen Geheimnisse der kleinsten Bestandteile unseres Universums enthüllen, hinterlassen winzige Teilchen extrem schwache elektrische Spuren, wenn sie bei gewaltigen Kollisionen erzeugt werden. Einige Detektoren in diesen Einrichtungen nutzen für ihre Funktion die Supraleitung – ein Phänomen, bei dem Elektrizität bei niedrigen Temperaturen ohne Widerstand transportiert wird.
Damit Wissenschaftler das Verhalten dieser Teilchen genauer beobachten können, müssen diese schwachen elektrischen Signale oder Ströme mit einem Instrument multipliziert werden, das in der Lage ist, ein schwaches elektrisches Flackern in einen echten Stromstoß umzuwandeln.
Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben ein neues Gerät entwickelt, das als „Strommultiplikator“ fungiert. Dieses als Nanokryotron bezeichnete Gerät ist ein Prototyp eines Mechanismus, der das elektrische Signal eines Teilchens so weit anheben könnte, dass es die Supraleitung des Materials vorübergehend ausschaltet und so im Wesentlichen eine Art Ein-Aus-Schalter schafft.
„Wir nehmen ein kleines Signal und nutzen es, um eine elektrische Kaskade auszulösen“, sagte Tomas Polakovic, einer der Maria Goeppert Mayer Fellows der Argonne und Autor der Studie. „Wir werden den sehr kleinen Strom dieser Detektoren in das Schaltgerät leiten, mit dem dann ein viel größerer Strom geschaltet werden kann.“
Die Vorbereitung des Nanokryotrons für ein Collider-Experiment wird wegen der hohen Magnetfelder noch etwas mehr Arbeit erfordern. Während heutige Teilchendetektoren Magnetfeldern mit einer Stärke von mehreren Tesla standhalten können, lässt die Leistung dieses Schalters bei hohen Magnetfeldern nach.
„Die Suche nach Möglichkeiten, das Gerät in höheren Magnetfeldern zum Laufen zu bringen, ist der Schlüssel zur Einbindung in ein echtes Experiment“, sagte Timothy Draher, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Argonne, ein weiterer Autor der Studie.
Um dies zu ermöglichen, planen die Forscher, die Geometrie des Materials zu verändern und Defekte, also winzige Löcher, einzuführen. Diese Defekte werden den Forschern dabei helfen, kleine supraleitende Wirbel im Material zu stabilisieren, deren Bewegung zu einer unerwarteten Störung der Supraleitung führen kann.
Das Nanokryotron wurde mithilfe der Elektronenstrahllithographie hergestellt, einer Art Schablonentechnik, bei der mit einem Elektronenstrahl ein Polymerfilm entfernt wird, um einen bestimmten interessierenden Bereich freizulegen. Dieser interessierende Bereich wird dann mittels Plasma-Ionenätzen geätzt.
„Wir entfernen im Grunde nur die freiliegenden Teile und lassen das Gerät zurück, das wir verwenden möchten“, sagte Draher.
Laut dem Argonne-Physiker Valentine Novosad, einem weiteren Autor der Studie, könnte das neue Gerät auch als Grundlage für eine Art elektronische Logikschaltung dienen.
„Diese Arbeit ist besonders wichtig für Collider-Experimente, wie sie beispielsweise am Electron-Ion Collider im Brookhaven National Laboratory durchgeführt werden. Dort würden supraleitende Nanodrahtdetektoren, die nahe an den Strahlen positioniert sind, Mikroelektronik erfordern, die gegen Magnetfelder immun ist“, sagte er Argonne Distinguished Fellow und Gruppenleiter Zein-Eddine Meziani.
Ein auf der Studie basierender Artikel: „Design und Leistung von Parallelkanal-Nanokryotronen in Magnetfeldern,“ wird in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur Angewandten Physik. Zu den Autoren gehören neben Draher, Zein-Eddine, Polakovic und Novosad auch Yi Li, John Pearson, Alan Dibos und Zhili Xiao.
Mehr Informationen:
Timothy Draher et al., Design und Leistung von Parallelkanal-Nanokryotronen in Magnetfeldern, Briefe zur Angewandten Physik (2023). DOI: 10.1063/5.0180709