Nanocryotron dari Laboratorium Nasional Argonne memperkuat sinyal listrik lemah dalam detektor partikel, yang penting untuk eksperimen penumbuk seperti yang dilakukan di Brookhaven. Desainnya memungkinkan peningkatan kinerja dalam medan magnet tinggi, menandai langkah signifikan dalam teknologi superkonduktor. Kredit: SciTechDaily.com
Peneliti Argonne telah menciptakan perangkat baru yang bertindak seperti saklar superkonduktivitas, membantu meningkatkan sinyal partikel kecil dalam penumbuk partikel.
Dalam penumbuk partikel yang mengungkap rahasia tersembunyi dari unsur terkecil di alam semesta kita, partikel-partikel kecil meninggalkan jejak listrik yang sangat samar ketika mereka dihasilkan dalam tumbukan yang sangat besar. Beberapa detektor di fasilitas ini menggunakan superkonduktivitas – sebuah fenomena di mana listrik dialirkan tanpa resistansi pada suhu rendah – agar dapat berfungsi.
Agar para ilmuwan dapat mengamati perilaku partikel-partikel ini dengan lebih akurat, sinyal atau arus listrik yang lemah ini perlu dikalikan dengan instrumen yang mampu mengubah kedipan listrik yang lemah menjadi kejutan nyata.
Kemajuan dalam Perkalian Saat Ini
Para ilmuwan di Laboratorium Nasional Argonne Departemen Energi AS (DOE) telah mengembangkan perangkat baru yang bertindak sebagai “pengganda arus”. Perangkat ini, yang disebut nanocryotron, adalah prototipe mekanisme yang dapat menaikkan sinyal listrik suatu partikel cukup tinggi ke tingkat yang mematikan superkonduktivitas material untuk sementara, yang pada dasarnya menciptakan semacam saklar on-off.
“Pekerjaan ini sangat penting untuk eksperimen penumbuk, seperti yang akan dilakukan di Penumbuk Elektron-Ion di Laboratorium Nasional Brookhaven.”
— Argonne Rekan Terhormat dan pemimpin kelompok Zein-Eddine MezianiA
“Kami mengambil sinyal kecil dan menggunakannya untuk memicu aliran listrik,” kata Tomas Polakovic, salah satu Maria Goeppert Mayer Fellows di Argonne dan penulis studi tersebut. “Kami akan menyalurkan arus yang sangat kecil dari detektor ini ke dalam perangkat switching, yang kemudian dapat digunakan untuk mengalihkan arus yang jauh lebih besar.”
Meningkatkan Kinerja Nanocryotron
Mempersiapkan nanocryotron untuk percobaan penumbuk akan membutuhkan lebih banyak pekerjaan karena tingginya medan magnet yang terlibat. Meskipun detektor partikel saat ini dapat menahan medan magnet dengan kekuatan beberapa tesla, kinerja sakelar ini menurun dalam medan magnet tinggi.
“Menemukan cara untuk membuat perangkat ini bekerja di medan magnet yang lebih tinggi adalah kunci untuk menggabungkannya ke dalam eksperimen nyata,” kata asisten peneliti pascasarjana Argonne Timothy Draher, penulis studi lainnya.
Untuk mewujudkan hal ini, para peneliti berencana mengubah geometri material dan membuat cacat, atau lubang kecil. Cacat ini akan membantu peneliti menstabilkan pusaran superkonduktor kecil dalam material, yang pergerakannya dapat menyebabkan gangguan superkonduktivitas yang tidak terduga.
Gambar mikroskop elektron pemindaian warna palsu dari nanocryotron superkonduktor saluran paralel. Biru menyoroti bidang tanah, abu-abu menunjukkan celah parit dan kawat nano, hijau mewakili saluran NbN yang efektif, dan merah menandakan gerbang NbN untuk menghambat penyempitan. Bilah skala sesuai dengan 2 μm. Kredit: Laboratorium Nasional Argonne
Fabrikasi dan Potensi Aplikasi
Nanocryotron dibuat dengan menggunakan litografi berkas elektron, sejenis teknik stensil yang menggunakan berkas elektron untuk menghilangkan film polimer guna mengekspos wilayah tertentu yang diinginkan. Wilayah yang diminati itu kemudian digores menggunakan plasma lakukan ion.
“Pada dasarnya kami hanya mengupas bagian-bagian yang terbuka, meninggalkan perangkat yang ingin kami gunakan,” kata Draher.
Menurut fisikawan Argonne, Valentine Novosad, penulis studi lainnya, perangkat baru ini juga dapat berfungsi sebagai dasar untuk semacam sirkuit logika elektronik.
“Pekerjaan ini sangat penting untuk eksperimen penumbuk, seperti yang akan dilakukan di Penumbuk Elektron-Ion di Laboratorium Nasional Brookhaven. Di sana, detektor kawat nano superkonduktor, yang ditempatkan dekat dengan pancaran sinar, akan membutuhkan mikroelektronika yang kebal terhadap medan magnet,” kata Argonne Distinguished Fellow dan pemimpin kelompok Zein-Eddine Meziani.
Makalah berdasarkan penelitian, “Desain dan kinerja nanocryotron saluran paralel dalam medan magnet,” muncul di edisi 18 Desember 2023 Surat Fisika Terapan. . . . Selain Draher, Zein-Eddine, Polakovic, dan Novosad, penulisnya termasuk Yi Li, John Pearson, Alan Dibos, dan Zhili Xiao.
Referensi: “Desain dan kinerja nanocryotron saluran paralel dalam medan magnet” oleh Timothy Draher, Tomas Polakovic, Yi Li, John Pearson, Alan Dibos, Zein-Eddine Meziani, Zhili Xiao, Valentine Novosad, 18 Desember 2023, Surat Fisika Terapan.
DOI: 10.1063/5.0180709
Pekerjaan ini didanai oleh Kantor Sains DOE, Kantor Fisika Nuklir. Pekerjaan untuk melakukan etsa ion reaktif pada film superkonduktor dalam percobaan dilakukan di Pusat Bahan Skala Nano, Fasilitas Pengguna DOE.
