Immagina un filo con uno spessore circa centomila volte più piccolo di un capello umano e visibile solo con i microscopi più potenti del mondo. Possono venire in molte varietà, compresi i semiconduttori, isolanti e superconduttori.

Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) riferiscono di aver fabbricato e testato un dispositivo a nanofili superconduttori applicabile al conteggio dei fotoni ad alta velocità per esperimenti di fisica nucleare che in precedenza erano ritenuti impossibili. Questo dispositivo opera a temperature prossime allo zero assoluto in campi magnetici quaranta volte più forti dei precedenti dispositivi di questo tipo ed è in grado di rilevare fotoni a bassa energia e altre particelle fondamentali.

"Questo cambia il gioco per il tipo di rivelatore di particelle che si può progettare e costruire, " disse Zein-Eddine Meziani, Fisico Senior della Divisione di Fisica. "Pensa a questo come alla prima unità di qualcosa per cui possiamo alla fine collegare molti di loro insieme in diverse configurazioni per l'uso in vari esperimenti di fisica nucleare".

La proprietà chiave di questa tecnologia è la superconduttività. All'inizio del XX secolo, Il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes ha scoperto la straordinaria proprietà della superconduttività nei metalli. Questi materiali superconduttori perdono ogni resistenza al movimento dell'elettricità a una temperatura prossima allo zero assoluto e hanno trovato molte applicazioni diverse nel secolo scorso.

"Abbiamo scelto come nostro materiale una delle prime leghe superconduttrici mai scoperte, nitruro di niobio, " ha detto l'autore principale Tomas Polakovic, studente laureato presso la Facoltà di Fisica. "Essendo stato identificato per la prima volta come superconduttore nel 1941, questa lega è estremamente ben compresa, è facile da lavorare, e funziona in un ambiente con un campo magnetico elevato e un intenso bombardamento di radiazioni."

Circa 15 anni fa, gli scienziati hanno scoperto di poter fabbricare nitruro di niobio in forma di nanofili. Negli anni, questo materiale ha subito molti miglioramenti da parte di vari gruppi di ricerca in tutto il mondo per possibili applicazioni nella comunicazione e nel rilevamento quantistico.

Il team di Argonne ha combinato un plasma di ioni di azoto con lo sputtering di niobio per formare film sottili di nitruro di niobio su un substrato di silicio. Il film risultante ha uno spessore di soli 10 nanometri, circa 100, 000 più piccolo di un capello umano. Hanno quindi modellato il nanofilo in uno schema simile a un circuito integrato.

Quando un rivelatore a nanofili che trasporta una grande corrente assorbe un fotone, la superconduttività è interrotta, creando un punto caldo locale. Questo produce un breve segnale, che viene conteggiato e misurato elettricamente, quindi il rivelatore recupera rapidamente la superconduttività perduta e continua a contare. I test hanno dimostrato che il dispositivo è in grado di rilevare singoli fotoni a bassa energia nelle condizioni impegnative degli esperimenti di fisica nucleare.

Mentre altri rivelatori devono funzionare intorno alla temperatura ambiente al di fuori dello spazio chiuso in cui le particelle sono in streaming, gli scienziati saranno in grado di posizionare il rivelatore di nanofili Argonne all'interno di quello spazio perché può resistere alle dure condizioni al suo interno:temperature vicine allo zero assoluto, un forte campo magnetico, e alto tasso di particelle.

"Piuttosto che sostituire la tecnologia di rilevamento esistente, la nostra tecnologia apre molte nuove possibilità per esperimenti di fisica nucleare, ", ha detto Whitney Armstrong, co-autore e fisico di Argonne.

Guardando al futuro, Polakovic ha aggiunto, "Anche se non abbiamo ancora testato questa ipotesi, il nostro dispositivo dovrebbe essere in grado di rilevare e analizzare i segnali non solo da fotoni a bassa energia, ma anche singoli elettroni, protoni e nuclei come l'elio-4, che consiste di due protoni e due neutroni."

Un possibile esperimento di fisica nucleare implicherebbe l'uso del dispositivo Argonne in esperimenti con l'elio-4 per testare la teoria dominante del nucleo atomico, cromodinamica quantistica.

Giuseppe Heremans, un fisico nella divisione Scienza dei materiali di Argonne e Centro per l'ingegneria molecolare, sta già lavorando per incorporare questa tecnologia nella sua ricerca quantistica:"Lo sviluppo di questi rapidi, robusti dispositivi a nanofili superconduttori è un passo importante verso l'implementazione del rilevamento a singolo fotone a banda larga per applicazioni di comunicazione quantistica".

"Gli inventori raramente comprendono inizialmente tutti i possibili usi delle loro invenzioni, Meziani ha aggiunto. "Sono sicuro che in futuro ci saranno tutti i tipi di idee per esperimenti scientifici all'avanguardia utilizzando il nostro dispositivo a nanofili superconduttori".

Un documento basato su questo studio, "Nanofili superconduttori come rivelatori di fotoni ad alta velocità in forti campi magnetici, " apparso in Strumenti e metodi nucleari nella ricerca in fisica . Oltre a Polakovic, Armstrong, e Meziani, gli autori sono V. Yefremenko, J.E. Pearson, K. Hafidi, G. Karapetrov e V. Novosad.