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 en 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 convertir un leve parpadeo eléctrico en una verdadera sacudida.

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 alta hasta un nivel en el que desactive 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. "Vamos a canalizar la muy pequeña corriente de estos detectores hacia el dispositivo de conmutación, que luego podrá usarse para conmutar una corriente mucho mayor".

Preparar el nanocriotrón para un experimento en colisionador requerirá más trabajo debido a los altos campos magnéticos involucrados. Si bien los detectores de partículas actuales pueden resistir campos magnéticos de varios teslas de intensidad, el rendimiento de este interruptor se degrada en campos magnéticos intensos.

"Encontrar formas de hacer que el dispositivo funcione en campos magnéticos superiores es clave para incorporarlo a un experimento real", afirmó 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 puede provocar una interrupción imprevista de la superconductividad.

El nanocriotrón se creó mediante litografía por haz de electrones, un tipo de técnica de estarcido que utiliza un haz de electrones para eliminar una película de polímero y exponer una región de interés particular. Luego, esa región de interés se graba mediante grabado de iones de plasma.

"Básicamente simplemente quitamos las partes que están expuestas, dejando atrás el dispositivo que queremos usar", dijo Draher.

Según el físico de Argonne Valentine Novosad, otro autor 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 Miembro distinguido de Argonne y líder del grupo Zein-Eddine Meziani.

En la revista Applied Physics Letters se publica un artículo basado en el estudio "Diseño y rendimiento de nanocriotrones de canales paralelos en campos magnéticos". . Además de Draher, Zein-Eddine, Polakovic y Novosad, los autores incluyen a Yi Li, John Pearson, Alan Dibos y Zhili Xiao.