Stel je een draad voor met een dikte die ongeveer honderdduizend keer kleiner is dan een mensenhaar en alleen zichtbaar is met 's werelds krachtigste microscopen. Ze kunnen in vele soorten voorkomen, inclusief halfgeleiders, isolatoren en supergeleiders.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) rapporteren over het fabriceren en testen van een supergeleidend nanodraadapparaat dat van toepassing is op het met hoge snelheid tellen van fotonen voor nucleaire fysica-experimenten die voorheen voor onmogelijk werden gehouden. Dit apparaat werkt bij temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt in magnetische velden die veertig keer sterker zijn dan eerdere dergelijke apparaten en is in staat om laagenergetische fotonen en andere fundamentele deeltjes te detecteren.

"Dit verandert het spel voor het type deeltjesdetector dat men kan ontwerpen en bouwen, " zei Zein-Eddine Meziani, senior natuurkundige in de afdeling Natuurkunde. "Zie dit als de eerste eenheid van iets waarvoor we uiteindelijk veel van hen in verschillende configuraties met elkaar kunnen verbinden voor gebruik in verschillende kernfysische experimenten."

De belangrijkste eigenschap van deze technologie is supergeleiding. Aan het begin van de twintigste eeuw, De Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes ontdekte de opmerkelijke eigenschap van supergeleiding in metalen. Deze supergeleidende materialen verliezen alle weerstand tegen de beweging van elektriciteit bij een temperatuur van bijna het absolute nulpunt en hebben de afgelopen eeuw veel verschillende toepassingen gevonden.

"We kozen als ons materiaal een van de eerste supergeleidende legeringen die ooit zijn ontdekt, niobiumnitride, " zei hoofdauteur Tomas Polakovic, afstudeerder in de richting Natuurkunde. "Na voor het eerst te zijn geïdentificeerd als een supergeleider in 1941, deze legering is buitengewoon goed begrepen, is gemakkelijk om mee te werken, en functioneert in een omgeving met een hoog magnetisch veld en intens stralingsbombardement."

Ongeveer 15 jaar geleden, wetenschappers ontdekten dat ze niobiumnitride in nanodraadvorm konden fabriceren. Door de jaren heen, dit materiaal heeft vele verbeteringen ondergaan door verschillende onderzoeksgroepen over de hele wereld voor mogelijke toepassingen in kwantumcommunicatie en sensing.

Het Argonne-team combineerde een stikstofionenplasma met sputteren van niobium om dunne films van niobiumnitride op een siliciumsubstraat te vormen. De resulterende film is slechts 10 nanometer dik, ongeveer 100, 000 kleiner dan een mensenhaar. Vervolgens vormden ze de nanodraad in een patroon dat op een geïntegreerde schakeling lijkt.

Wanneer een nanodraaddetector met een grote stroom een ​​foton absorbeert, supergeleiding is verstoord, het creëren van een lokale hotspot. Dit geeft een kort signaal, die elektrisch wordt geteld en gemeten, dan herstelt de detector snel zijn verloren supergeleiding en gaat verder met tellen. Testen hebben aangetoond dat het apparaat individuele fotonen met lage energie kan detecteren in de veeleisende omstandigheden van kernfysische experimenten.

Terwijl andere detectoren moeten werken bij ongeveer kamertemperatuur buiten de afgesloten ruimte waar deeltjes stromen, wetenschappers zullen de Argonne-nanodraaddetector in die ruimte kunnen plaatsen omdat hij bestand is tegen de barre omstandigheden daarin:temperaturen rond het absolute nulpunt, een sterk magnetisch veld, en hoge deeltjessnelheid.

"In plaats van de bestaande detectortechnologie te vervangen, onze technologie opent veel nieuwe mogelijkheden voor kernfysische experimenten, " Co-auteur en Argonne-fysicus Whitney Armstrong zei.

Kijkend naar de toekomst, Polakovic heeft toegevoegd, "Hoewel we deze hypothese nog niet hebben getest, ons apparaat moet de signalen van niet alleen fotonen met lage energie kunnen detecteren en analyseren, maar ook individuele elektronen, protonen en kernen zoals helium-4, die bestaat uit twee protonen en twee neutronen."

Een mogelijk experiment met kernfysica zou het gebruik van het Argonne-apparaat in experimenten met helium-4 inhouden om de heersende theorie van de atoomkern te testen, kwantum chromodynamica.

Joseph Heremans, een fysicus in de Materials Science-divisie van Argonne en het Centre for Molecular Engineering, werkt al aan het incorporeren van deze technologie in zijn kwantumonderzoek:"De ontwikkeling van deze snelle, robuuste supergeleidende nanodraadapparaten is een belangrijke stap in de richting van de implementatie van breedband-single-photon-detectie voor kwantumcommunicatietoepassingen."

"Uitvinders begrijpen in eerste instantie zelden alle mogelijke toepassingen van hun uitvindingen, " voegde Meziani toe. "Ik weet zeker dat er in de toekomst allerlei ideeën zullen zijn voor geavanceerde wetenschappelijke experimenten met behulp van ons supergeleidende nanodraadapparaat."

Een paper gebaseerd op dit onderzoek, "Supergeleidende nanodraden als fotondetectoren met hoge snelheid in sterke magnetische velden, " verscheen in Kerninstrumenten en methoden in natuurkundig onderzoek . Naast Polakovic, Armstrong, en Meziani, auteurs zijn V. Yefremenko, JE Pearson, K. Hafidi, G. Karapetrov en V. Novosad.