Científico del Fermilab reconocido por su trabajo mejorando los superconductores utilizados para los imanes de los aceleradores

11 de mayo de 2023 | Fionna MD Samuels

Los aceleradores de partículas, como los alojados en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE.UU., son la base de los experimentos con colisionadores de partículas utilizados para estudiar la física de altas energías. Xingchen Xu, científico de la División de Tecnología de Imanes de Fermilab, ha sido reconocido por la Sociedad Europea de Física por su trabajo en el desarrollo de un nuevo tipo de material superconductor que permitirá imanes aceleradores aún más potentes.

Xu recibió el Premio Frank Sacherer 2023 por su trabajo en el desarrollo de un nuevo tipo de superconductor de niobio-estaño. Este material podría utilizarse en última instancia para mejorar los imanes de los aceleradores.

La energía máxima que puede alcanzar un acelerador de partículas circular depende de la fuerza de los imanes superconductores que dirigen las partículas alrededor del acelerador. Aumente el campo magnético y podrá aumentar la energía del haz y mejorar el alcance científico del colisionador. Los diseños para la próxima generación de aceleradores, como el Futuro Colisionador Circular, tienen como objetivo generar campos magnéticos de 16 teslas, el doble de lo que se utiliza actualmente en el Gran Colisionador de Hadrones. Con un campo magnético tan alto, el FCC podría en última instancia alcanzar energías de colisión de hasta 100 billones de electronvoltios, eclipsando el récord actual de 13,6 billones de electronvoltios del LHC.

Mejores imanes harán realidad este sueño.

Para fabricar un imán acelerador, se enrollan cables superconductores en bobinas y se electrifican. Tanto la cantidad de material superconductor utilizado en su construcción, o el número de bobinas, como el comportamiento de un material como superconductor determinan la potencia del imán. Aunque se podían utilizar algunos materiales diferentes para construir imanes aceleradores, uno llamó la atención de Xu: el niobio-estaño.

El trabajo del científico del Fermilab, Xingchen Xu, para mejorar los materiales superconductores ha sido reconocido por la Sociedad Europea de Física. Foto: Lynn Johnson, Fermilab

Desafortunadamente, el rendimiento de los superconductores de niobio y estaño se ha estancado desde principios de la década de 2000, afirmó Xu. Eso fue hasta que Xu demostró recientemente un nuevo enfoque para aumentar la densidad de corriente crítica de un alambre de niobio y estaño, o cuánta corriente puede transportar por unidad de área. La densidad de corriente crítica de un superconductor está determinada por la llamada fuerza de fijación de flujo. Los fluxones cuantificados, o bigotes discretos de magnetismo, penetran en un cable superconductor en un campo magnético. La superconductividad del cable requiere que estos bigotes estén estacionarios: romper su condición estática rompe la superconductividad.

Cuando el cable transporta una corriente eléctrica, surge una fuerza de la interacción entre el campo eléctrico y el campo magnético. Los fluxones se desplazan bajo esta fuerza si no hay imperfecciones o centros de fijación en la estructura cristalina del superconductor; Los centros de fijación mantienen los fluxones en su lugar. Pero, al igual que las chinchetas en un tablero de corcho, estos centros de fijación sólo pueden soportar una cierta cantidad de fuerza antes de fallar.

A medida que el cable transporta más corriente, la fuerza aumenta y eventualmente excede la fuerza de fijación del flujo proporcionada por las imperfecciones en el superconductor. Cuando esto sucede, los fluxones se mueven, lo que disipa energía y destruye la superconductividad. La cantidad de corriente que un superconductor puede contener antes de que sus fluxones se muevan define la densidad de corriente crítica.

Agregar centros de fijación de flujo dentro de materiales superconductores ayuda a aumentar la densidad de corriente crítica del material. Hace cuatro años, Xu recibió el premio DOE Early Career Research Award por un proyecto para hacer precisamente eso mediante la introducción de centros de fijación artificiales dentro de alambres de niobio y estaño.

La investigación dio resultado: Xu ha desarrollado cables que pueden transportar una densidad de corriente incluso mayor que la especificada por el equipo de diseño de la FCC. Utilizando una técnica de oxidación interna, Xu puede fabricar alambre superconductor de niobio y estaño salpicado de partículas nanoscópicas de óxido de circonio o hafnio, que actúan como centros de fijación artificiales. Básicamente, las partículas agregan más chinchetas, manteniendo los fluxones magnéticos en su lugar y aumentando efectivamente la densidad de corriente crítica en campos magnéticos elevados.

"La gente ha estado tratando de agregar centros de fijación artificiales a los alambres de niobio y estaño desde la década de 1980, pero no ha tenido éxito", dijo Xu, "me alegro de que este enfoque finalmente lo haya logrado".

Ahora está trabajando en la fabricación de cables lo suficientemente largos como para enrollarlos en imanes de acelerador.

En reconocimiento a este logro, Xu recibió este año el Premio Frank Sacherer de la Sociedad Europea de Física. Este premio, que se otorga una vez cada tres años, lo reconoce como un investigador que inicia su carrera y que ha realizado “una contribución reciente, significativa y original al campo de los aceleradores”.

Xingchen Xu recibe el Premio Frank Sacherer 2023 en la 14ª Conferencia Internacional sobre Aceleradores de Partículas en Venecia, Italia. Foto de : Sam Posen

La entrega del premio tuvo lugar el 11 de mayo en la 14ª Conferencia Internacional sobre Aceleradores de Partículas. Como parte del premio, Xu ha sido invitado a realizar una presentación oral sobre su trabajo.

Si bien es agradable ser reconocido, Xu dijo: "Espero que este método eventualmente cree un superconductor muy útil".

El Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de Estados Unidos. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite science.energy.gov.