Imagine un cable con un grosor aproximadamente cien mil veces más pequeño que un cabello humano y solo visible con los microscopios más potentes del mundo. Pueden venir en muchas variedades, incluyendo semiconductores, aislantes y superconductores.

Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) informan sobre la fabricación y prueba de un dispositivo de nanocables superconductores aplicable al conteo de fotones de alta velocidad para experimentos de física nuclear que antes se pensaba que eran imposibles. Este dispositivo funciona a temperaturas cercanas al cero absoluto en campos magnéticos cuarenta veces más fuertes que los dispositivos anteriores y es capaz de detectar fotones de baja energía, así como otras partículas fundamentales.

"Esto cambia el juego para el tipo de detector de partículas que uno puede diseñar y construir, "dijo Zein-Eddine Meziani, físico senior en la división de Física. "Piense en esto como la primera unidad de algo para lo cual finalmente podemos conectar muchos de ellos en diferentes configuraciones para su uso en varios experimentos de física nuclear".

La propiedad clave de esta tecnología es la superconductividad. A principios del siglo XX, El físico holandés Heike Kamerlingh Onnes descubrió la notable propiedad de la superconductividad en los metales. Estos materiales superconductores pierden toda la resistencia al movimiento de la electricidad a una temperatura cercana al cero absoluto y han encontrado muchas aplicaciones diferentes durante el siglo pasado.

"Elegimos como nuestro material una de las primeras aleaciones superconductoras jamás descubiertas, nitruro de niobio, "dijo el autor principal, Tomas Polakovic, estudiante de posgrado en la división de Física. "Habiendo sido identificado por primera vez como superconductor en 1941, esta aleación se conoce muy bien, es fácil trabajar con y funciona en un entorno con un alto campo magnético y un intenso bombardeo de radiación ".

Hace unos 15 años, los científicos descubrieron que podían fabricar nitruro de niobio en forma de nanocables. A través de los años, este material ha sido objeto de muchas mejoras por parte de varios grupos de investigación de todo el mundo para posibles aplicaciones en la comunicación y la detección cuánticas.

El equipo de Argonne combinó un plasma de iones de nitrógeno con pulverización catódica de niobio para formar películas delgadas de nitruro de niobio sobre un sustrato de silicio. La película resultante tiene solo 10 nanómetros de espesor, aproximadamente 100, 000 más pequeño que un cabello humano. Luego dieron forma al nanoalambre en un patrón similar a un circuito integrado.

Cuando un detector de nanocables que transporta una gran corriente absorbe un fotón, la superconductividad se interrumpe, creando un punto caliente local. Esto produce una breve señal, que se cuenta y mide eléctricamente, luego, el detector recupera rápidamente su superconductividad perdida y continúa contando. Las pruebas demostraron que el dispositivo puede detectar fotones individuales de baja energía en las exigentes condiciones de los experimentos de física nuclear.

Mientras que otros detectores deben operar aproximadamente a temperatura ambiente fuera del espacio cerrado donde las partículas fluyen, Los científicos podrán colocar el detector de nanocables de Argonne dentro de ese espacio porque puede soportar las duras condiciones en él:temperaturas cercanas al cero absoluto, un fuerte campo magnético, y alta tasa de partículas.

"En lugar de reemplazar la tecnología de detectores existente, nuestra tecnología abre muchas posibilidades nuevas para los experimentos de física nuclear, ", dijo la coautora y física de Argonne, Whitney Armstrong.

Mirando hacia el futuro, Polakovic agregado, "Aunque todavía no hemos probado esta hipótesis, Nuestro dispositivo debería poder detectar y analizar las señales no solo de fotones de baja energía, sino también electrones individuales, protones y núcleos como helio-4, que consta de dos protones y dos neutrones ".

Un posible experimento de física nuclear implicaría el uso del dispositivo Argonne en experimentos con helio-4 para probar la teoría reinante del núcleo atómico, cromodinámica cuántica.

Joseph Heremans, un físico en la división de Ciencia de Materiales de Argonne y en el Centro de Ingeniería Molecular, ya está trabajando para incorporar esta tecnología en su investigación cuántica:"El desarrollo de estos rápidos, Los dispositivos de nanocables superconductores robustos son un paso importante hacia la implementación de la detección de fotón único de banda ancha para aplicaciones de comunicación cuántica ".

"Los inventores rara vez comprenden inicialmente todos los usos posibles de sus invenciones, "Agregó Meziani." Estoy seguro de que habrá todo tipo de ideas para experimentos científicos de vanguardia que utilicen nuestro dispositivo de nanocables superconductores en el futuro ".

Un artículo basado en este estudio, "Nanocables superconductores como detectores de fotones de alta velocidad en campos magnéticos fuertes, " apareció en Instrumentos y métodos nucleares en la investigación física . Además de Polakovic, Armstrong, y Meziani, los autores son V. Yefremenko, J.E. Pearson, K. Hafidi, G. Karapetrov y V. Novosad.