Dando um impulso aos detectores de partículas:novo dispositivo atua como um interruptor de supercondutividade

Imagem de microscópio eletrônico de varredura em cores falsas de um nanocriotron supercondutor de canal paralelo. O azul destaca o plano de terra, o cinza mostra as lacunas da trincheira e dos nanofios, o verde representa o canal NbN efetivo e o vermelho significa a porta NbN para sufocar a constrição. As barras de escala correspondem a 2 μm. Crédito:Laboratório Nacional Argonne

Nos colisores de partículas que revelam os segredos ocultos dos mais ínfimos constituintes do nosso universo, partículas minúsculas deixam para trás traços eléctricos extremamente ténues quando são geradas em enormes colisões. Alguns detectores nessas instalações usam supercondutividade – um fenômeno no qual a eletricidade é transportada com resistência zero em baixas temperaturas – para funcionar.

Para que os cientistas possam observar com mais precisão o comportamento destas partículas, estes sinais eléctricos fracos, ou correntes, precisam de ser multiplicados por um instrumento capaz de transformar uma ténue oscilação eléctrica num verdadeiro choque.

Cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram um novo dispositivo que atua como um “multiplicador de corrente”. Este dispositivo, chamado nanocriotron, é um protótipo de um mecanismo que poderia aumentar o sinal elétrico de uma partícula alto o suficiente a um nível onde desliga temporariamente a supercondutividade do material, criando essencialmente uma espécie de interruptor liga-desliga.

"Estamos pegando um pequeno sinal e usando-o para desencadear uma cascata elétrica", disse Tomas Polakovic, um dos bolsistas Maria Goeppert Mayer de Argonne e autor do estudo. "Vamos canalizar a corrente muito pequena desses detectores para o dispositivo de comutação, que pode então ser usado para comutar uma corrente muito maior."

Preparar o nanocriotron para um experimento de colisor exigirá mais trabalho devido aos altos campos magnéticos envolvidos. Embora os detectores de partículas atuais possam suportar campos magnéticos de vários tesla de intensidade, o desempenho deste switch se degrada em campos magnéticos elevados.

"Encontrar maneiras de fazer o dispositivo funcionar em campos magnéticos mais elevados é a chave para incorporá-lo em um experimento real", disse Timothy Draher, assistente de pesquisa graduado em Argonne, outro autor do estudo.

Para que isso seja possível, os pesquisadores planejam alterar a geometria do material e introduzir defeitos, ou pequenos furos. Esses defeitos ajudarão os pesquisadores a estabilizar pequenos vórtices supercondutores no material, cujo movimento pode levar a uma interrupção imprevista da supercondutividade.

O nanocriotron foi criado usando litografia por feixe de elétrons, uma espécie de técnica de estêncil que usa um feixe de elétrons para remover um filme de polímero e expor uma determinada região de interesse. Essa região de interesse é então gravada usando gravação com íons de plasma.

“Basicamente removemos as partes expostas, deixando para trás o dispositivo que queremos usar”, disse Draher.

Segundo Valentine Novosad, físico de Argonne, outro autor do estudo, o novo dispositivo também poderá servir de base para uma espécie de circuito lógico eletrônico.

"Este trabalho é especialmente importante para experimentos com colisores, como aqueles que serão realizados no Colisor de Elétrons-Íons do Laboratório Nacional de Brookhaven. Lá, detectores de nanofios supercondutores, posicionados próximos aos feixes, exigiriam microeletrônica imune a campos magnéticos, "disse Argonne Distinguished Fellow e líder do grupo Zein-Eddine Meziani.

Um artigo baseado no estudo "Projeto e desempenho de nanocriotrons de canais paralelos em campos magnéticos", foi publicado na revista Applied Physics Letters . Além de Draher, Zein-Eddine, Polakovic e Novosad, os autores incluem Yi Li, John Pearson, Alan Dibos e Zhili Xiao.

Mais informações: Timothy Draher et al, Design e desempenho de nanocriotrons de canais paralelos em campos magnéticos, Applied Physics Letters (2023). DOI:10.1063/5.0180709
Fornecido pelo Laboratório Nacional Argonne

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