Ученый Фермилаб получил награду за работу по улучшению сверхпроводников, используемых для ускорительных магнитов

11 мая 2023 г. | Фиона, доктор медицинских наук Сэмюэлс

Ускорители частиц, подобные тем, что расположены в Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США, являются основой экспериментов на коллайдерах частиц, используемых для изучения физики высоких энергий. Синчен Сюй, учёный из отдела магнитных технологий лаборатории Фермилаб, был отмечен Европейским физическим обществом за работу по разработке нового вида сверхпроводящего материала, который позволит создавать ещё более мощные ускорительные магниты.

Сюй получил премию Франка Захерера 2023 года за работу по разработке нового типа сверхпроводника ниобий-олово. В конечном итоге этот материал может быть использован для улучшения магнитов ускорителей.

Максимальная энергия, которую может достичь круглый ускоритель частиц, зависит от силы сверхпроводящих магнитов, которые направляют частицы вокруг ускорителя. Увеличьте магнитное поле, и вы сможете увеличить энергию луча и улучшить научный охват коллайдера. Проекты ускорителей следующего поколения, таких как Будущий круговой коллайдер, направлены на генерацию магнитных полей силой 16 тесла — вдвое больше, чем сейчас используется в Большом адронном коллайдере. Благодаря такому сильному магнитному полю FCC может в конечном итоге достичь энергии столкновения до 100 триллионов электронвольт, что затмевает текущий рекорд БАКа в 13,6 триллиона электронвольт.

Лучшие магниты сделают эту мечту реальностью.

Чтобы сделать ускорительный магнит, сверхпроводящие провода сматывают в катушки и электрифицируют. Мощность магнита определяется количеством сверхпроводящего материала, использованного в его конструкции, или количеством катушек, а также тем, насколько хорошо материал ведет себя как сверхпроводник. Хотя для создания ускорительных магнитов можно было использовать несколько различных материалов, Сюй выделил один из них: ниобий-олово.

Работа ученого Фермилаб Синчен Сюй по улучшению сверхпроводящих материалов была признана Европейским физическим обществом. Фото: Линн Джонсон, Фермилаб

К сожалению, с начала 2000-х годов характеристики ниобий-оловяных сверхпроводников стабилизировались, сказал Сюй. Так было до тех пор, пока Сюй недавно не продемонстрировал новый подход к увеличению критической плотности тока ниобиево-оловянной проволоки, или того, какой ток она может проводить на единицу площади. Критическая плотность тока сверхпроводника определяется так называемой силой закрепления потока. Квантовые флаксоны, или дискретные усы магнетизма, проникают в сверхпроводящий провод в магнитном поле. Сверхпроводимость провода требует, чтобы эти усы были неподвижными: нарушение их статического состояния нарушает сверхпроводимость.

Когда по проводу течет электрический ток, в результате взаимодействия электрического и магнитного полей возникает сила. Флюксоны смещаются под действием этой силы, если в кристаллической структуре сверхпроводника нет дефектов или центров пиннинга; центры закрепления удерживают флаксоны на месте. Но, подобно канцелярским кнопкам на пробковой доске, эти закрепляющие центры могут выдержать только определенное усилие, прежде чем они выйдут из строя.

По мере того, как провод пропускает больший ток, сила увеличивается и в конечном итоге превышает силу закрепления потока, обеспечиваемую несовершенствами сверхпроводника. Когда это происходит, флаксоны движутся, что рассеивает энергию и разрушает сверхпроводимость. Величина тока, который сверхпроводник может удерживать до того, как его флаксоны начнут двигаться, определяет критическую плотность тока.

Добавление центров закрепления потока в сверхпроводящие материалы помогает увеличить критическую плотность тока материала. Четыре года назад Сюй получил награду Министерства энергетики США за исследования в области ранней карьеры за проект, направленный на создание искусственных центров закрепления внутри ниобий-оловянных проводов.

Исследование увенчалось успехом: Сюй разработал провода, которые могут выдерживать плотность тока даже выше, чем указано командой разработчиков FCC. Используя метод внутреннего окисления, Сюй может изготовить сверхпроводящую проволоку из ниобия и олова, начиненную наноскопическими частицами оксида циркония или гафния, которые действуют как искусственные центры закрепления. По сути, частицы добавляют больше канцелярских кнопок, удерживая магнитные флаксоны на месте и эффективно увеличивая критическую плотность тока в сильных магнитных полях.