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Imagen de microscopio electrónico de barrido en falso color de un nanocriotrón superconductor de canales paralelos. El azul resalta el plano de tierra, el gris muestra los espacios de la zanja y los nanocables, el verde representa el canal NbN efectivo y el rojo significa la puerta NbN para estrangular la constricción. Las barras de escala corresponden a 2 μm. Crédito: Laboratorio Nacional Argonne
En los colisionadores de partículas que revelan los secretos ocultos de los componentes más pequeños de nuestro universo, las partículas diminutas dejan rastros eléctricos extremadamente débiles cuando se generan en enormes colisiones. Algunos detectores de estas instalaciones utilizan la superconductividad, un fenómeno en el que la electricidad se transporta con resistencia cero a bajas temperaturas, para funcionar.
Para que los científicos puedan observar con mayor precisión el comportamiento de estas partículas, estas débiles señales eléctricas, o corrientes, deben multiplicarse por un instrumento capaz de transformar una débil oscilación eléctrica en una descarga real.
Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han desarrollado un nuevo dispositivo que actúa como un «multiplicador de corriente». Este dispositivo, llamado nanocriotrón, es un prototipo de un mecanismo que podría aumentar la señal eléctrica de una partícula lo suficientemente alto hasta un nivel en el que apague temporalmente la superconductividad del material, creando esencialmente una especie de interruptor de encendido y apagado.
«Estamos tomando una pequeña señal y usándola para desencadenar una cascada eléctrica», dijo Tomas Polakovic, uno de los becarios Maria Goeppert Mayer de Argonne y autor del estudio. «Canalizaremos la corriente muy pequeña de estos detectores al dispositivo de conmutación, que luego podrá usarse para conmutar una corriente mucho mayor».
La preparación del nanocriotrón para un experimento con un colisionador requerirá más trabajo debido a los elevados campos magnéticos implicados. Aunque los detectores de partículas actuales pueden soportar campos magnéticos de varias potencias tesla, el rendimiento de este interruptor se degrada ante campos magnéticos elevados.
«Encontrar formas de hacer que el dispositivo funcione en campos magnéticos más altos es clave para incorporarlo a un experimento real», dijo el asistente de investigación graduado de Argonne, Timothy Draher, otro autor del estudio.
Para que esto sea posible, los investigadores planean cambiar la geometría del material e introducir defectos o pequeños agujeros. Estos defectos ayudarán a los investigadores a estabilizar pequeños vórtices superconductores en el material, cuyo movimiento podría provocar una alteración imprevista de la superconductividad.
El nanocriotrón se creó mediante litografía por haz de electrones, una especie de técnica de estarcido que utiliza un haz de electrones para eliminar una película de polímero y exponer una determinada región de interés. Luego, esta región de interés se graba mediante grabado con iones de plasma.
«Básicamente eliminamos las partes expuestas, dejando atrás el dispositivo que queremos usar», dijo Draher.
Según Valentine Novosad, físico de Argonne y otro de los autores del estudio, el nuevo dispositivo también podría servir como base para una especie de circuito lógico electrónico.
«Este trabajo es especialmente importante para experimentos con colisionadores, como los que se realizarán en el Colisionador de Iones y Electrones del Laboratorio Nacional de Brookhaven. Allí, los detectores de nanocables superconductores, colocados cerca de los haces, requerirían microelectrónica inmune a los campos magnéticos», dijo Argonne Distinguido Miembro y líder del grupo Zein-Eddine Meziani.
Un artículo basado en el estudio, «Diseño y rendimiento de nanocriotrones de canales paralelos en campos magnéticos.«, fue publicado en la revista Letras de Física Aplicada. Además de Draher, Zein-Eddine, Polakovic y Novosad, los autores incluyen a Yi Li, John Pearson, Alan Dibos y Zhili Xiao.
Mas informaciones:
Timothy Draher et al, Diseño y rendimiento de nanocriotrones de canales paralelos en campos magnéticos, Letras de Física Aplicada (2023). DOI: 10.1063/5.0180709
