Le nanocryotron du Laboratoire national d’Argonne amplifie les signaux électriques faibles dans les détecteurs de particules, essentiels pour les expériences sur collisionneur comme celles de Brookhaven. Sa conception permet d’améliorer les performances dans les champs magnétiques élevés, marquant une étape importante dans la technologie supraconductrice. Crédit : Issues.fr.com
Les chercheurs d’Argonne ont créé un nouveau dispositif qui agit comme un commutateur de supraconductivité, aidant à amplifier le signal des minuscules particules dans les collisionneurs de particules.
Dans les collisionneurs de particules qui révèlent les secrets cachés des plus petits constituants de notre univers, les minuscules particules laissent derrière elles des traces électriques extrêmement faibles lorsqu’elles sont générées lors d’énormes collisions. Certains détecteurs de ces installations utilisent la supraconductivité – un phénomène dans lequel l’électricité est transportée avec une résistance nulle à basse température – pour fonctionner.
Pour que les scientifiques puissent observer plus précisément le comportement de ces particules, ces faibles signaux électriques, ou courants, doivent être multipliés par un instrument capable de transformer un faible scintillement électrique en une véritable secousse.
Avancées dans la multiplication actuelle
Des scientifiques du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) ont développé un nouveau dispositif qui agit comme un « multiplicateur de courant. » Ce dispositif, appelé nanocryotron, est un prototype de mécanisme capable d’augmenter le signal électrique d’une particule suffisamment haut pour atteindre un niveau tel qu’il désactive temporairement la supraconductivité du matériau, créant essentiellement une sorte d’interrupteur marche-arrêt.
« Ce travail est particulièrement important pour les expériences sur les collisionneurs, telles que celles qui seront réalisées au collisionneur électron-ion du laboratoire national de Brookhaven. »
— Argonne Distinguished Fellow et chef de groupe Zein-Eddine MezianiUN
« Nous prenons un petit signal et l’utilisons pour déclencher une cascade électrique », a déclaré Tomas Polakovic, l’un des boursiers Maria Goeppert Mayer d’Argonne et auteur de l’étude. « Nous allons canaliser le très petit courant de ces détecteurs vers le dispositif de commutation, qui pourra ensuite être utilisé pour commuter un courant beaucoup plus important. »
Améliorer les performances du nanocryotron
Préparer le nanocryotron pour une expérience avec un collisionneur demandera davantage de travail en raison des champs magnétiques élevés impliqués. Alors que les détecteurs de particules actuels peuvent résister à des champs magnétiques d’une intensité de plusieurs Tesla, les performances de ce commutateur se dégradent dans des champs magnétiques élevés.
« Trouver des moyens de faire fonctionner l’appareil dans des champs magnétiques plus élevés est essentiel pour l’intégrer dans une véritable expérience », a déclaré Timothy Draher, assistant de recherche diplômé d’Argonne, un autre auteur de l’étude.
Pour rendre cela possible, les chercheurs envisagent de modifier la géométrie du matériau et d’introduire des défauts, ou de minuscules trous. Ces défauts aideront les chercheurs à stabiliser les petits vortex supraconducteurs dans le matériau, dont le mouvement peut entraîner une perturbation imprévue de la supraconductivité.
Image au microscope électronique à balayage en fausses couleurs d’un nanocryotron supraconducteur à canal parallèle. Le bleu met en évidence le plan de masse, le gris montre les espaces entre les tranchées et les nanofils, le vert représente le canal NbN effectif et le rouge signifie la porte NbN pour étouffer la constriction. Les barres d’échelle correspondent à 2 μm. Crédit : Laboratoire National d’Argonne
Fabrication et applications potentielles
Le nanocryotron a été créé en utilisant la lithographie par faisceau d’électrons, une sorte de technique de pochoir qui utilise un faisceau d’électrons pour retirer un film polymère afin d’exposer une région d’intérêt particulière. Cette région d’intérêt est ensuite gravée en utilisant plasma gravure ionique.
« En gros, nous retirons simplement les parties exposées, laissant derrière nous l’appareil que nous voulons utiliser », a déclaré Draher.
Selon Valentine Novosad, physicien d’Argonne et autre auteur de l’étude, le nouvel appareil pourrait également servir de base à une sorte de circuit logique électronique.
« Ce travail est particulièrement important pour les expériences sur les collisionneurs, telles que celles qui seront réalisées au collisionneur électron-ion du laboratoire national de Brookhaven. Là, des détecteurs à nanofils supraconducteurs, positionnés à proximité des faisceaux, nécessiteraient une microélectronique immunisée contre les champs magnétiques », a déclaré Zein-Eddine Meziani, chercheur distingué d’Argonne et chef de groupe.
Un article basé sur l’étude, « Conception et performances de nanocryotrons à canaux parallèles dans des champs magnétiques », paru dans l’édition du 18 décembre 2023 de Lettres de physique appliquée. Outre Draher, Zein-Eddine, Polakovic et Novosad, les auteurs incluent Yi Li, John Pearson, Alan Dibos et Zhili Xiao.
Le travail a été financé par le Bureau de la science du DOE, Bureau de physique nucléaire. Les travaux visant à effectuer une gravure ionique réactive des films supraconducteurs dans l’expérience ont été réalisés au Center for Nanoscale Materials, une installation utilisateur du DOE.
