Imagine um fio com uma espessura cerca de cem mil vezes menor do que um fio de cabelo humano e visível apenas com os microscópios mais poderosos do mundo. Eles podem vir em muitas variedades, incluindo semicondutores, isoladores e supercondutores.

Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) relatam a fabricação e o teste de um dispositivo nanofio supercondutor aplicável à contagem de fótons de alta velocidade para experimentos de física nuclear que antes eram considerados impossíveis. Este dispositivo opera a temperaturas próximas do zero absoluto em campos magnéticos quarenta vezes mais fortes do que os dispositivos anteriores e é capaz de detectar fótons de baixa energia, bem como outras partículas fundamentais.

"Isso muda o jogo para o tipo de detector de partículas que se pode projetar e construir, "disse Zein-Eddine Meziani, físico sênior da divisão de Física. "Pense nisso como a primeira unidade de algo pelo qual podemos finalmente conectar muitos deles em diferentes configurações para uso em vários experimentos de física nuclear."

A principal propriedade dessa tecnologia é a supercondutividade. No início do século XX, O físico holandês Heike Kamerlingh Onnes descobriu a notável propriedade da supercondutividade nos metais. Esses materiais supercondutores perdem toda a resistência ao movimento da eletricidade a uma temperatura próxima do zero absoluto e encontraram muitas aplicações diferentes no século passado.

"Escolhemos como nosso material uma das primeiras ligas supercondutoras já descobertas, nitreto de nióbio, "disse o autor principal Tomas Polakovic, pós-graduando na divisão de Física. "Tendo sido identificado pela primeira vez como um supercondutor em 1941, esta liga é extremamente bem compreendida, é fácil de trabalhar, e funciona em um ambiente com alto campo magnético e intenso bombardeio de radiação. "

Cerca de 15 anos atrás, os cientistas descobriram que poderiam fabricar nitreto de nióbio na forma de nanofios. Ao longo dos anos, este material passou por muitas melhorias por vários grupos de pesquisa ao redor do mundo para possíveis aplicações em comunicação quântica e sensoriamento.

A equipe de Argonne combinou um plasma de íons de nitrogênio com pulverização catódica de nióbio para formar filmes finos de nitreto de nióbio em um substrato de silício. O filme resultante tem apenas 10 nanômetros de espessura, cerca de 100, 000 menor que um fio de cabelo humano. Eles então moldaram o nanofio em um padrão semelhante a um circuito integrado.

Quando um detector de nanofio carregando uma grande corrente absorve um fóton, a supercondutividade é interrompida, criando um ponto quente local. Isso produz um breve sinal, que é contado e medido eletricamente, então, o detector recupera rapidamente sua supercondutividade perdida e continua contando. Os testes demonstraram que o dispositivo pode detectar fótons individuais de baixa energia nas condições exigentes de experimentos de física nuclear.

Enquanto outros detectores devem operar em torno da temperatura ambiente fora do espaço fechado onde as partículas estão fluindo, os cientistas serão capazes de posicionar o detector de nanofios Argonne nesse espaço porque ele pode suportar as condições adversas nele:temperaturas próximas do zero absoluto, um forte campo magnético, e alta taxa de partículas.

"Em vez de substituir a tecnologia de detector existente, nossa tecnologia abre muitas novas possibilidades para experimentos de física nuclear, "disse o co-autor e físico de Argonne, Whitney Armstrong.

Olhando para o futuro, Polakovic acrescentou, "Embora não tenhamos testado essa hipótese ainda, nosso dispositivo deve ser capaz de detectar e analisar os sinais não apenas de fótons de baixa energia, mas também elétrons individuais, prótons e núcleos como o hélio-4, que consiste em dois prótons e dois nêutrons. "

Um possível experimento de física nuclear envolveria o uso do dispositivo Argonne em experimentos com hélio-4 para testar a teoria reinante do núcleo atômico, cromodinâmica quântica.

Joseph Heremans, um físico na divisão de Ciência de Materiais de Argonne e no Centro de Engenharia Molecular, já está trabalhando para incorporar esta tecnologia em sua pesquisa quântica:"O rápido desenvolvimento destes, robustos dispositivos supercondutores de nanofios é um passo importante para a implementação da detecção de fóton único em banda larga para aplicações de comunicação quântica. "

"Os inventores raramente entendem inicialmente todos os usos possíveis de suas invenções, "Meziani acrescentou." Tenho certeza de que haverá todos os tipos de idéias para experimentos científicos de ponta usando nosso dispositivo nanofio supercondutor no futuro. "

Um artigo baseado neste estudo, "Nanofios supercondutores como detectores de fótons de alta taxa em campos magnéticos fortes, " apareceu em Instrumentos e métodos nucleares em pesquisa física . Além de Polakovic, Armstrong, e Meziani, autores são V. Yefremenko, J.E. Pearson, K. Hafidi, G. Karapetrov e V. Novosad.