Neues Gerät wirkt wie ein supraleitender Schalter

In Teilchenbeschleunigern, die die verborgenen Geheimnisse der kleinsten Bestandteile unseres Universums enthüllen, hinterlassen winzige Teilchen extrem schwache elektrische Spuren, wenn sie bei großen Kollisionen erzeugt werden. Einige Detektoren in diesen Einrichtungen nutzen für ihren Betrieb 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 Ruck 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 stark verstärken kann, dass es ein Niveau erreicht, bei dem die Supraleitung des Materials vorübergehend ausgeschaltet wird, wodurch im Wesentlichen eine Art Ein-Aus-Schalter entsteht.

„Wir nehmen ein kleines Signal und nutzen es, um eine elektrische Kaskade auszulösen“, sagte Tomas Polakovic, einer der Maria-Goeppert-Mayer-Stipendiaten der Argonne und Autor der Studie. „Wir werden den sehr kleinen Strom von diesen Detektoren zum Schaltgerät leiten, mit dem dann ein viel größerer Strom geschaltet werden kann.“

Die Vorbereitung des Nanokryotrons für ein Collider-Experiment wird aufgrund der hohen Magnetfelder mehr Arbeit erfordern. Während aktuelle Teilchendetektoren Magnetfeldern von mehreren Tesla standhalten können, lässt die Leistung dieses Schalters bei hohen Magnetfeldern nach.

„Die Suche nach Möglichkeiten, das Gerät in höheren Magnetfeldern zu betreiben, ist der Schlüssel zur Integration 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 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 ein Elektronenstrahl zum Entfernen eines Polymerfilms verwendet wird, um einen bestimmten interessierenden Bereich freizulegen. Dieser interessierende Bereich wird dann durch Plasmaionenätzen geätzt.

„Im Grunde entfernen wir einfach die freiliegenden Teile und lassen das Gerät zurück, das wir verwenden möchten“, sagte Draher.

Laut Valentine Novosad, einem argonischen Physiker und 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 Elektronen-Ionen-Collider des Brookhaven National Laboratory durchgeführt werden. Dort würden supraleitende Nanodrahtdetektoren, die nahe an den Strahlen positioniert sind, Mikroelektronik erfordern, die gegen Magnetfelder immun ist“, sagte Argonne Distinguished Fellow und Gruppenleiter Zein-Eddine Meziani.

In der Zeitschrift wird ein Artikel veröffentlicht, der auf der Studie „Design und Leistung paralleler Kanal-Nanokryotrons in Magnetfeldern“ basiert Angewandte Physikbriefe. Zu den Autoren gehören neben Draher, Zein-Eddine, Polakovic und Novosad auch Yi Li, John Pearson, Alan Dibos und Zhili Xiao.