Fermilab-Wissenschaftler wurde für seine Arbeit zur Verbesserung von Supraleitern für Beschleunigermagnete ausgezeichnet

11. Mai 2023 | Fiona MD Samuels

Teilchenbeschleuniger, wie sie im Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums untergebracht sind, bilden die Grundlage für Experimente mit Teilchenbeschleunigern, die zur Untersuchung der Hochenergiephysik eingesetzt werden. Xingchen

Xu hat den Frank-Sacherer-Preis 2023 für seine Arbeit an der Entwicklung eines neuen Typs von Niob-Zinn-Supraleitern erhalten. Dieses Material könnte letztendlich zur Verbesserung von Beschleunigermagneten verwendet werden.

Die maximale Energie, die ein kreisförmiger Teilchenbeschleuniger erreichen kann, hängt von der Stärke der supraleitenden Magnete ab, die die Teilchen um den Beschleuniger lenken. Erhöhen Sie das Magnetfeld, und Sie können die Strahlenergie erhöhen und die wissenschaftliche Reichweite des Colliders verbessern. Entwürfe für die nächste Generation von Beschleunigern, wie den Future Circular Collider, zielen darauf ab, 16-Tesla-Magnetfelder zu erzeugen – doppelt so viel wie derzeit im Large Hadron Collider verwendet wird. Mit einem so hohen Magnetfeld könnte der FCC letztendlich Kollisionsenergien von bis zu 100 Billionen Elektronenvolt erreichen und damit den aktuellen Rekord des LHC von 13,6 Billionen Elektronenvolt in den Schatten stellen.

Bessere Magnete werden diesen Traum Wirklichkeit werden lassen.

Um einen Beschleunigermagneten herzustellen, werden supraleitende Drähte zu Spulen gewickelt und unter Strom gesetzt. Sowohl die Menge an supraleitendem Material, die bei seiner Konstruktion verwendet wird, oder die Anzahl der Spulen, als auch wie gut sich ein Material als Supraleiter verhält, bestimmt die Kraft des Magneten. Obwohl für den Bau von Beschleunigermagneten einige verschiedene Materialien verwendet werden konnten, stach Xu eines hervor: Niob-Zinn.

Die Arbeit des Fermilab-Wissenschaftlers Xingchen Xu zur Verbesserung supraleitender Materialien wurde von der Europäischen Physikalischen Gesellschaft anerkannt. Foto: Lynn Johnson, Fermilab

Leider habe die Leistung von Niob-Zinn-Supraleitern seit Anfang der 2000er Jahre ein Plateau erreicht, sagte Xu. Bis Xu kürzlich einen neuen Ansatz vorstellte, um die kritische Stromdichte eines Niob-Zinn-Drahts zu erhöhen, also wie viel Strom er pro Flächeneinheit transportieren kann. Die kritische Stromdichte eines Supraleiters wird durch die sogenannte Flux-Pinning-Kraft bestimmt. Quantisierte Fluxonen oder diskrete Whisker aus Magnetismus dringen in einem Magnetfeld in einen supraleitenden Draht ein. Die Supraleitung des Drahtes erfordert, dass diese Whisker stationär sind: Durch die Unterbrechung ihres statischen Zustands wird die Supraleitung unterbrochen.

Wenn der Draht einen elektrischen Strom führt, entsteht durch die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld und dem magnetischen Feld eine Kraft. Fluxonen verschieben sich unter dieser Kraft, wenn in der Kristallstruktur des Supraleiters keine Unvollkommenheiten oder Fixierungszentren vorhanden sind; Pinning-Zentren halten Fluxons an Ort und Stelle. Aber wie Reißnägel in einer Pinnwand können diese Stecknadeln nur einer bestimmten Kraft standhalten, bevor sie versagen.

Wenn der Draht mehr Strom führt, nimmt die Kraft zu und übersteigt schließlich die Flussfesthaltekraft, die durch Unvollkommenheiten im Supraleiter entsteht. Dabei bewegen sich die Fluxonen, wodurch Energie verloren geht und die Supraleitung zerstört wird. Die Strommenge, die ein Supraleiter halten kann, bevor sich seine Fluxonen bewegen, definiert die kritische Stromdichte.

Das Hinzufügen von Flux-Pinning-Zentren in supraleitenden Materialien trägt dazu bei, die kritische Stromdichte des Materials zu erhöhen. Vor vier Jahren erhielt Xu den DOE Early Career Research Award für ein Projekt, das genau dies durch die Einführung künstlicher Pinning-Zentren in Niob-Zinn-Drähten bewerkstelligte.

Die Forschung ging auf: Xu hat Drähte entwickelt, die eine Stromdichte übertragen können, die noch höher ist als die vom FCC-Designteam angegebene. Mithilfe einer internen Oxidationstechnik kann Xu einen supraleitenden Niob-Zinn-Draht herstellen, der mit nanoskopischen Zirkonium- oder Hafniumoxidpartikeln gespickt ist, die als künstliche Fixierungszentren fungieren. Im Grunde fügen die Partikel mehr Reißzwecken hinzu, halten die magnetischen Fluxonen an Ort und Stelle und erhöhen effektiv die kritische Stromdichte bei hohen Magnetfeldern.

„Seit den 1980er Jahren wird versucht, künstliche Pinning-Zentren in Niob-Zinn-Drähte einzubauen, aber es war nicht erfolgreich“, sagte Xu. „Ich bin froh, dass dieser Ansatz es endlich geschafft hat.“

Jetzt arbeitet er daran, Drähte herzustellen, die lang genug sind, um in Beschleunigermagneten gewickelt zu werden.

Als Anerkennung für diese Leistung erhielt Xu in diesem Jahr den Frank-Sacherer-Preis der Europäischen Physikalischen Gesellschaft. Dieser Preis wird alle drei Jahre verliehen und würdigt ihn als Nachwuchsforscher, der „in jüngster Zeit einen bedeutenden, originellen Beitrag zum Beschleunigerbereich“ geleistet hat.

Xingchen Xu erhält den Frank-Sacherer-Preis 2023 auf der 14. Internationalen Teilchenbeschleunigerkonferenz in Venedig, Italien. Foto: Sam Posen, Fermilab

Die Preisverleihung fand am 11. Mai im Rahmen der 14. Internationalen Teilchenbeschleunigerkonferenz statt. Im Rahmen der Auszeichnung wurde Xu eingeladen, einen mündlichen Vortrag über seine Arbeit zu halten.

Obwohl es schön sei, anerkannt zu werden, sagte Xu: „Ich hoffe mehr, dass diese Methode irgendwann einen sehr nützlichen Supraleiter hervorbringen wird.“

Das Fermi National Accelerator Laboratory wird vom Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt. Das Office of Science ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter science.energy.gov.