הננוקריוטרון של המעבדה הלאומית של Argonne מגביר אותות חשמליים חלשים בגלאי חלקיקים, חיוניים לניסויי מתנגשים כמו אלה בברוקהייבן. העיצוב שלו מאפשר ביצועים משופרים בשדות מגנטיים גבוהים, המסמן צעד משמעותי בטכנולוגיית מוליכות-על. קרדיט: twoday.co.il.com
חוקרי ארגון יצרו מכשיר חדש שפועל כמו מתג מוליכות-על, שעוזר להגביר את האות של חלקיקים זעירים במתנגשי חלקיקים.
במתנגדי חלקיקים החושפים את הסודות הכמוסים של המרכיבים הזעירים ביותר ביקום שלנו, חלקיקים זעירים משאירים אחריהם עקבות חשמליים קלושים ביותר כשהם נוצרים בהתנגשויות עצומות. חלק מהגלאים במתקנים אלה משתמשים במוליכות-על – תופעה שבה חשמל נישא בהתנגדות אפסית בטמפרטורות נמוכות – כדי לתפקד.
כדי שמדענים יוכלו לבחון בצורה מדויקת יותר את התנהגותם של חלקיקים אלה, יש להכפיל את האותות החשמליים החלשים הללו, או הזרמים, באמצעות מכשיר המסוגל להפוך הבהוב חשמלי חלש לטלטלה אמיתית.
התקדמות בכפל נוכחי
מדענים במעבדה הלאומית Argonne של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) פיתחו מכשיר חדש שפועל כ"מכפיל זרם". המכשיר הזה, הנקרא ננוקריוטרון, הוא אב טיפוס למנגנון שיכול להגביר את האות החשמלי של חלקיק גבוה מספיק לרמה שבה הוא מכבה זמנית את מוליכות-העל של החומר, ובעצם יוצר מעין מתג הדלקה-כיבוי.
"עבודה זו חשובה במיוחד עבור ניסויי מתנגשים, כמו אלה שיתבצעו במאיץ האלקטרונים-יונים במעבדה הלאומית ברוקהייבן."
— עמית מצטיין ארגון ומנהיג הקבוצה Zein-Eddine Mezianiא
"אנחנו לוקחים אות קטן ומשתמשים בו כדי להפעיל מפל חשמלי", אמר תומס פולקוביץ', אחד מעמיתי מריה גופרט מאייר של ארגון ומחבר המחקר. "אנחנו הולכים להעביר את הזרם הקטן מאוד של הגלאים האלה לתוך מכשיר המיתוג, שבו ניתן להשתמש כדי להעביר זרם הרבה יותר גדול."
שיפור ביצועי ננוקריוטרון
כדי להכין את הננוקריוטרון לניסוי מתנגש תידרש עוד עבודה בגלל השדות המגנטיים הגבוהים המעורבים. בעוד שגלאי החלקיקים של היום יכולים לעמוד בפני שדות מגנטיים בעוצמתם של מספר טסלות, הביצועים של מתג זה יורדים בשדות מגנטיים גבוהים.
"מציאת דרכים לגרום למכשיר לעבוד בשדות מגנטיים גבוהים יותר היא המפתח לשילובו בניסוי אמיתי", אמר עוזר המחקר בוגר Argonne, Timothy Draher, מחבר אחר של המחקר.
כדי לאפשר זאת, החוקרים מתכננים לשנות את הגיאומטריה של החומר ולהכניס פגמים, או חורים זעירים. פגמים אלו יסייעו לחוקרים לייצב מערבולות מוליכות-על קטנות בחומר, שתנועתן עלולה להוביל לשיבוש בלתי צפוי של מוליכות-העל.
תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סריקת צבע כוזב של ננוקריוטרון בעל ערוץ מקבילי. כחול מדגיש את מישור ההארקה, אפור מציג את פערי התעלה והננו-תיל, ירוק מייצג את ערוץ ה-NbN היעיל, ואדום מסמל את שער ה-NbN להצרת חנק. פסי קנה מידה תואמים ל-2 מיקרומטר. קרדיט: Argonne National Laboratory
ייצור ויישומים פוטנציאליים
הננוקריוטרון נוצר על ידי שימוש בליתוגרפיה של קרן אלקטרונים, מעין טכניקת שבלונות שמשתמשת בקרן אלקטרונים כדי להסיר סרט פולימרי כדי לחשוף אזור מסוים של עניין. אזור עניין זה נחרט לאחר מכן באמצעות פְּלַסמָה תחריט יונים.
"בעצם אנחנו פשוט מסירים את החלקים שנחשפים, ומשאירים מאחור את המכשיר שאנחנו רוצים להשתמש בו", אמר דרהר.
לפי הפיזיקאי של ארגון ולנטיין נובוסאד, מחבר אחר של המחקר, המכשיר החדש יכול לשמש גם כבסיס למעין מעגלים לוגיים אלקטרוניים.
"עבודה זו חשובה במיוחד עבור ניסויי מתנגשים, כגון אלה שיתבצעו במאיץ האלקטרונים-יונים במעבדה הלאומית ברוקהייבן. שם, גלאי ננו-חוטי-על המוליכים, הממוקמים קרוב לאלומות, ידרשו מיקרו-אלקטרוניקה חסינה לשדות מגנטיים", אמר עמית נכבד ומנהיג הקבוצה Zein-Eddine Meziani.
מאמר המבוסס על המחקר, "עיצוב וביצועים של ננוקריוטרונים בערוצים מקבילים בשדות מגנטיים", הופיע במהדורת ה-18 בדצמבר 2023 של מכתבי פיזיקה שימושית. בנוסף לדרהר, זיין-אדין, פולקוביץ' ונובוסאד, בין המחברים יי לי לי, ג'ון פירסון, אלן דיבוס וז'ילי שיאו.
העבודה מומנה על ידי משרד המדע של DOE, Office of Nuclear Physics. העבודה לביצוע תחריט יונים תגובתיים של הסרטים המוליכים-על בניסוי בוצעה במרכז לחומרים ננומטריים, מתקן משתמש של DOE.
