Simulation de détecteurs à nanofils supraconducteurs à grande vitesse destinés à être utilisés dans des expériences de physique nucléaire. Vert :environnement cryogénique (proche du zéro absolu) de l'expérience; violet :détecteurs; rouge :photons émis par la cible d'ammoniac solide au centre. En médaillon :un des appareils Argonne dans les détecteurs (barre d'échelle, 1 µm). Crédit :Laboratoire National d'Argonne
Imaginez un fil d'une épaisseur environ cent mille fois plus petite qu'un cheveu humain et visible uniquement avec les microscopes les plus puissants au monde. Ils peuvent venir dans de nombreuses variétés, y compris les semi-conducteurs, isolants et supraconducteurs.
Des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) rapportent avoir fabriqué et testé un dispositif à nanofils supraconducteurs applicable au comptage de photons à grande vitesse pour des expériences de physique nucléaire qui étaient auparavant considérées comme impossibles. Cet appareil fonctionne à des températures proches du zéro absolu dans des champs magnétiques quarante fois plus forts que les appareils précédents et est capable de détecter des photons de faible énergie ainsi que d'autres particules fondamentales.
"Cela change la donne pour le type de détecteur de particules que l'on peut concevoir et construire, " a déclaré Zein-Eddine Meziani, Physicien senior dans la division Physique. "Considérez cela comme la première unité de quelque chose pour laquelle nous pouvons finalement connecter beaucoup d'entre eux dans différentes configurations pour une utilisation dans diverses expériences de physique nucléaire."
La propriété clé de cette technologie est la supraconductivité. Au début du XXe siècle, Le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes a découvert la propriété remarquable de la supraconductivité dans les métaux. Ces matériaux supraconducteurs perdent toute résistance au mouvement de l'électricité à une température proche du zéro absolu et ont trouvé de nombreuses applications différentes au cours du siècle dernier.
"Nous avons choisi comme matériau l'un des premiers alliages supraconducteurs jamais découverts, nitrure de niobium, " a déclaré l'auteur principal Tomas Polakovic, étudiant diplômé de la division de physique. "Ayant été identifié pour la première fois comme supraconducteur en 1941, cet alliage est extrêmement bien compris, est facile à travailler, et fonctionne dans un environnement avec un champ magnétique élevé et un bombardement de rayonnement intense."
Il y a environ 15 ans, les scientifiques ont découvert qu'ils pouvaient fabriquer du nitrure de niobium sous forme de nanofils. Au cours des années, ce matériau a subi de nombreuses améliorations par divers groupes de recherche à travers le monde pour des applications possibles dans la communication et la détection quantiques.
L'équipe d'Argonne a combiné un plasma d'ions d'azote avec une pulvérisation de niobium pour former des films minces de nitrure de niobium sur un substrat de silicium. Le film obtenu n'a que 10 nanomètres d'épaisseur, environ 100, 000 plus petit qu'un cheveu humain. Ils ont ensuite façonné le nanofil en un motif semblable à un circuit intégré.
Lorsqu'un détecteur à nanofils transportant un courant important absorbe un photon, la supraconductivité est perturbée, créer un point chaud local. Cela produit un bref signal, qui est compté et mesuré électriquement, puis le détecteur récupère rapidement sa supraconductivité perdue et continue à compter. Les tests ont démontré que l'appareil peut détecter des photons individuels de faible énergie dans les conditions exigeantes des expériences de physique nucléaire.
Alors que d'autres détecteurs doivent fonctionner à environ la température ambiante à l'extérieur de l'espace clos où les particules circulent, les scientifiques pourront positionner le détecteur de nanofils d'Argonne dans cet espace car il peut résister aux conditions difficiles qui y règnent :températures proches du zéro absolu, un champ magnétique puissant, et un taux de particules élevé.
Scientifiques d'Argonne à la machine de fabrication de nanofils. De gauche à droite :T. Polakovic, W.R. Armstrong et Z.-E. Meziani. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
"Plutôt que de remplacer la technologie de détection existante, notre technologie ouvre de nombreuses nouvelles possibilités pour les expériences de physique nucléaire, ", a déclaré Whitney Armstrong, co-auteur et physicienne d'Argonne.
En regardant vers l'avenir, Polakovic a ajouté, "Bien que nous n'ayons pas encore testé cette hypothèse, notre appareil devrait être capable de détecter et d'analyser les signaux non seulement de photons de faible énergie, mais aussi des électrons individuels, des protons et des noyaux comme l'hélium-4, qui se compose de deux protons et de deux neutrons."
Une expérience de physique nucléaire possible consisterait à utiliser le dispositif Argonne dans des expériences avec de l'hélium-4 pour tester la théorie régnante du noyau atomique, chromodynamique quantique.
Joseph Heremans, un physicien à la division Science des matériaux et au Centre de génie moléculaire d'Argonne, travaille déjà à intégrer cette technologie dans ses recherches quantiques :« Le développement de ces des dispositifs à nanofils supraconducteurs robustes sont une étape importante vers la mise en œuvre de la détection de photons uniques à large bande pour les applications de communication quantique. »
"Les inventeurs comprennent rarement au départ toutes les utilisations possibles de leurs inventions, " Meziani a ajouté. " Je suis sûr qu'il y aura toutes sortes d'idées pour des expériences scientifiques de pointe utilisant notre dispositif à nanofils supraconducteurs à l'avenir. "
Un article basé sur cette étude, "Les nanofils supraconducteurs comme détecteurs de photons à haut débit dans des champs magnétiques puissants, " apparaît dans Instruments et méthodes nucléaires dans la recherche en physique . En plus de Polakovic, Armstrong, et Meziani, les auteurs sont V. Yefremenko, J.E. Pearson, K. Hafidi, G. Karapetrov et V. Novosad.
