在揭示宇宙中最微小成分秘密的粒子對撞機中，微小粒子在巨大的碰撞中產生時會留下極其微弱的電跡。這些設施中的一些偵測器利用超導現象（一種在低溫下以零電阻導電的現象）來發揮作用。

為了讓科學家更準確地觀察這些粒子的行為，這些微弱的電訊號或電流需要透過一種能夠將微弱的電閃變為真正的震動的儀器來倍增。

電流倍增技術的進步

美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的科學家們開發出了一種新裝置，它可以充當”電流倍增器”。這種裝置被稱為” Nanocryotron “，它是一種機制的原型，可以將粒子的電信號提升到足夠高的水平，從而暫時關閉材料的超導性，本質上是創造了一種開關。

阿貢瑪麗亞-戈珀特-邁爾研究員之一、該研究的作者托馬斯-波拉科維奇說：”我們正在利用一個微小的信號來觸發一個電級聯。我們將把這些探測器的微小電流導入開關設備，然後利用開關設備切換更大的電流”。

提高Nanocryotron 性能

由於涉及高磁場，要為對撞機實驗準備好Nanocryotron還需要更多的工作。現今的粒子探測器可以承受幾特斯拉強度的磁場，而這種開關的性能在高磁場中會下降。

該研究的另一位作者、阿貢研究生研究助理蒂莫西-德拉赫（Timothy Draher）說：”找到使該設備在更高磁場中工作的方法，是將其納入實際實驗的關鍵。”

為了實現這一目標，研究人員計劃改變材料的幾何形狀，引入缺陷或小孔。這些缺陷將幫助研究人員穩定材料中的小型超導漩渦，這些漩渦的移動會導致超導電性的意外中斷。

平行通道超導Nanocryotron的假彩色掃描電子顯微鏡影像。藍色表示地平面，灰色表示溝槽和奈米線間隙，綠色表示有效的氮化鈮溝道，紅色表示氮化鈮柵到扼流圈的收縮。比例尺為2 μm。資料來源：阿貢國家實驗室

製作和潛在應用

Nanocryotron是透過電子束微影技術製作的，這是一種模板技術，使用電子束去除聚合物薄膜，以暴露特定感興趣的區域。然後使用等離子體離子蝕刻技術對感興趣的區域進行蝕刻。

Draher 說：”我們只是剝去暴露在外的部分，留下我們想要使用的設備。”

研究的另一位作者、阿貢物理學家瓦倫丁-諾沃薩德（Valentine Novosad）認為，這種新裝置還可以作為一種電子邏輯電路的基礎。

“這項工作對於對撞機實驗尤其重要，例如將在布魯克海文國家實驗室的電子-離子對撞機上進行的實驗。Nanocryotron阿貢傑出研究員、小組負責人Zein-Eddine Meziani說：”在那裡，靠近光束的超導奈米線探測器需要對磁場免疫的微電子技術。”

根據本研究撰寫的論文”磁場中平行通道Nanocryotron的設計與性能”發表在2023年12月18日出版的《應用物理通訊》上。除德拉赫、蔡恩-埃丁、波拉科維奇和諾沃薩德外，論文作者還包括李毅、約翰-皮爾森、艾倫-迪博斯和肖志立。

編譯自: ScitechDaily