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当超导材料科学遇到核物理学时

发布日期:2020-07-08 13:23 浏览次数:

用于核物理实验的高速超导纳米线探测器的仿真。绿色:实验的低温环境(接近绝对零度);紫色:探测器;红色:光子从中心的固态氨发射线。想象一下,一根金属丝的厚度大约是人类头发的10万分之一,只有用世界上最强大的显微镜才能看到。它们有很多种,包括半导体、绝缘体和超导体。

美国能源部阿贡国家实验室的科学家们报告说,他们正在制造和测试一种超导纳米线装置,这种装置适用于核物理实验中高速光子计数,这在以前被认为是不可能的。该设备在接近绝对零度的磁场环境下工作,磁场强度是之前设备的40倍,能够探测到底能光子和其他基本粒子。

“这改变了人们可以设计和制造的粒子探测器的类型,”物理系高级物理学家说。“把它想成是某种东西的第一个单元,我们最终可以把它们以不同的配置连接在一起,用于各种核物理实验。”

这项技术的关键特性是超导性。20世纪初,荷兰物理学家海克·卡梅林·昂内斯发现了金属的超导性。这些超导材料在接近绝对零度的温度下对电流的运动失去了所有的阻力,在过去的一个世纪里有许多不同的应用。

“我们选择了迄今为止发现的第一种超导合金——氮化铌作为我们的材料,”该研究的第一作者、物理系研究生托马斯波拉科维奇表示。“1941年,这种合金首次被鉴定为超导体,人们对它的了解非常透彻,使用起来也很容易,而且它能在高磁场和强烈辐射轰击的环境中发挥作用。”

大约15年前,科学家们发现他们可以用纳米线的形式制造氮化铌。多年来,这种材料已经被世界各地的研究小组进行了许多改进,可能在量子通信和传感方面得到应用。

Argonne团队将氮离子等离子体与铌溅射相结合,在硅衬底上形成氮化铌薄膜。这种薄膜只有10纳米厚,大约比人的头发还小10万。然后,他们将纳米线做成类似集成电路的图案。

当带有大电流的纳米线探测器吸收一个光子时,超导性就会被破坏,产生一个局部的热点。这就产生了一个简短的信号,然后探测器迅速恢复其失去的超导性,并继续计数。实验证明,该装置可以在苛刻的条件下检测到单个的低能光子。

虽然其他探测器必须在粒子流动的封闭空间外的室温环境下工作,但科学家将能够在该空间内放置阿贡纳米线探测器,因为它能够承受其中的恶劣条件:接近绝对零度的温度、强磁场和高粒子率。

科学家在纳米线制造机旁工作。“我们的技术并没有取代现有的探测技术,而是为核物理实验开辟了许多新的可能性,”论文合著者、阿尔贡物理学家惠特尼·阿姆斯特朗说。

展望未来,波拉科维奇补充说,“虽然我们还没有测试这个假设,但我们的设备应该能够探测和分析来自低能量光子的信号,以及单个的电子、质子和原子核,比如氦-4,它由两个质子和两个中子组成。”

一种可能的核物理实验是用阿贡装置进行氦-4实验,以测试原子核的主导理论——量子色动力学。

物理学家努力把这项技术融入他们的量子研究,这些快速发展的超导纳米线设备的实现是一个重要的一步宽带单光子探测量子通信应用程序。发明家最初很少了解他们发明的所有可能用途。我相信,未来使用我们的超导纳米线设备进行尖端科学实验的想法会层出不穷。

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