Als wetenschappers het gedrag van deze deeltjes nauwkeuriger willen observeren, moeten deze zwakke elektrische signalen of stromen worden vermenigvuldigd met een instrument dat een zwakke elektrische flikkering in een echte schok kan veranderen.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuw apparaat ontwikkeld dat fungeert als een ‘huidige vermenigvuldiger’. Dit apparaat, een nanocryotron genaamd, is een prototype van een mechanisme dat het elektrische signaal van een deeltje hoog genoeg kan zetten tot een niveau waarop het tijdelijk de supergeleiding van het materiaal uitschakelt, waardoor er in feite een soort aan-uitschakelaar ontstaat.

"We nemen een klein signaal en gebruiken het om een ​​elektrische cascade te activeren", zegt Tomas Polakovic, een van Argonne's Maria Goeppert Mayer Fellows en auteur van het onderzoek. "We gaan de zeer kleine stroom van deze detectoren naar het schakelapparaat leiden, dat vervolgens kan worden gebruikt om een ​​veel grotere stroom te schakelen."

Het voorbereiden van de nanocryotron voor een botsingsexperiment zal wat meer werk vergen vanwege de hoge magnetische velden die daarbij betrokken zijn. Hoewel de huidige deeltjesdetectoren magnetische velden van verschillende Tesla's kunnen weerstaan, gaan de prestaties van deze schakelaar achteruit bij hoge magnetische velden.

"Het vinden van manieren om het apparaat in hogere magnetische velden te laten werken is de sleutel tot het integreren ervan in een echt experiment", zegt Timothy Draher, afgestudeerd onderzoeksassistent uit Argonne, een andere auteur van het onderzoek.

Om dit mogelijk te maken, zijn de onderzoekers van plan de geometrie van het materiaal te veranderen en defecten, oftewel kleine gaatjes, te introduceren. Deze defecten zullen onderzoekers helpen kleine supergeleidende wervelingen in het materiaal te stabiliseren, waarvan de beweging kan leiden tot een onverwachte verstoring van de supergeleiding.

De nanocryotron is gemaakt met behulp van elektronenbundellithografie, een soort stenciltechniek waarbij een elektronenbundel wordt gebruikt om een ​​polymeerfilm te verwijderen om een ​​bepaald interessegebied bloot te leggen. Dat interessegebied wordt vervolgens geëtst met behulp van plasma-ionenetsen.

"In feite verwijderen we gewoon de zichtbare delen en laten we het apparaat achter dat we willen gebruiken", aldus Draher.

Volgens natuurkundige Valentine Novosad uit Argonne, een andere auteur van het onderzoek, zou het nieuwe apparaat ook kunnen dienen als basis voor een soort elektronische logische schakelingen.

"Dit werk is vooral belangrijk voor experimenten met botsingen, zoals die zullen worden uitgevoerd in de Electron-Ion Collider in het Brookhaven National Laboratory. Daar zouden supergeleidende nanodraaddetectoren, dicht bij de bundels geplaatst, micro-elektronica vereisen die immuun is voor magnetische velden, " zei Argonne Distinguished Fellow en groepsleider Zein-Eddine Meziani.

Een artikel gebaseerd op het onderzoek 'Design and performance of parallel-channel nanocryotrons in magnetische velden' is gepubliceerd in het tijdschrift Applied Physics Letters . Naast Draher, Zein-Eddine, Polakovic en Novosad zijn er onder andere Yi Li, John Pearson, Alan Dibos en Zhili Xiao.

Meer informatie: Timothy Draher et al, Ontwerp en prestatie van nanocryotrons met parallelle kanalen in magnetische velden, Technische Letters (2023). DOI:10.1063/5.0180709

Geleverd door Argonne National Laboratory