Cientista do Fermilab reconhecido por seu trabalho melhorando supercondutores usados ​​em ímãs de aceleradores

11 de maio de 2023 | Fiona MD Samuels

Os aceleradores de partículas, como os do Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi do Departamento de Energia dos Estados Unidos, são a base dos experimentos de colisores de partículas usados ​​para estudar a física de alta energia. Xingchen Xu, cientista da Divisão de Tecnologia de Magnetismo do Fermilab, foi reconhecido pela European Physical Society por seu trabalho no desenvolvimento de um novo tipo de material supercondutor que possibilitará ímãs aceleradores ainda mais poderosos.

Xu recebeu o Prêmio Frank Sacherer de 2023 por seu trabalho no desenvolvimento de um novo tipo de supercondutor de nióbio-estanho. Este material pode ser usado para melhorar os ímãs do acelerador.

A energia máxima que um acelerador de partículas circular pode atingir depende da força dos ímãs supercondutores que direcionam as partículas ao redor do acelerador. Aumente o campo magnético e você pode aumentar a energia do feixe e melhorar o alcance científico do colisor. Projetos para a próxima geração de aceleradores, como o Future Circular Collider, visam gerar campos magnéticos de 16 tesla – o dobro do que é usado atualmente no Large Hadron Collider. Com um campo magnético tão alto, a FCC poderia atingir energias de colisão de até 100 trilhões de elétron-volts, superando o atual recorde de 13,6 trilhões de elétron-volts do LHC.

Ímãs melhores tornarão esse sonho uma realidade.

Para fazer um ímã acelerador, fios supercondutores são enrolados em bobinas e eletrificados. Tanto a quantidade de material supercondutor usado em sua construção, ou o número de bobinas, quanto o comportamento de um material como supercondutor determinam a potência do ímã. Embora alguns materiais diferentes pudessem ser usados ​​para construir ímãs de aceleradores, um se destacou para Xu: nióbio-estanho.

O trabalho do cientista do Fermilab, Xingchen Xu, melhorando materiais supercondutores foi reconhecido pela European Physical Society. Foto: Lynn Johnson, Fermilab

Infelizmente, o desempenho dos supercondutores de nióbio-estanho estagnou desde o início dos anos 2000, disse Xu. Isso foi até Xu demonstrar recentemente uma nova abordagem para aumentar a densidade de corrente crítica de um fio de estanho de nióbio, ou quanta corrente ele pode transportar por unidade de área. A densidade de corrente crítica de um supercondutor é determinada pela chamada força de fixação de fluxo. Fluxons quantizados, ou discretos bigodes de magnetismo, penetram um fio supercondutor em um campo magnético. A supercondutividade do fio exige que esses bigodes sejam estacionários: quebrar sua condição estática quebra a supercondutividade.

Quando o fio transporta uma corrente elétrica, uma força surge da interação entre o campo elétrico e o campo magnético. Fluxons se deslocam sob esta força se não houver imperfeições, ou centros de fixação, na estrutura cristalina do supercondutor; os centros de fixação mantêm os fluxons no lugar. Mas, como percevejos em um quadro de cortiça, esses centros de fixação só podem suportar uma certa quantidade de força antes de falharem.

À medida que o fio transporta mais corrente, a força aumenta e eventualmente excede a força de fixação de fluxo fornecida pelas imperfeições no supercondutor. Quando isso acontece, os fluxons se movem, o que dissipa energia e destrói a supercondutividade. A quantidade de corrente que um supercondutor pode suportar antes que seus fluxons se movam define a densidade de corrente crítica.

Adicionar centros de fixação de fluxo em materiais supercondutores ajuda a aumentar a densidade de corrente crítica do material. Quatro anos atrás, Xu recebeu o DOE Early Career Research Award por um projeto para fazer exatamente isso, introduzindo centros de fixação artificiais dentro de fios de nióbio-estanho.

A pesquisa deu certo: Xu desenvolveu fios que podem transportar uma densidade de corrente ainda maior do que a especificada pela equipe de design da FCC. Usando uma técnica de oxidação interna, Xu pode fabricar fio supercondutor de nióbio-estanho salpicado com partículas nanoscópicas de óxido de zircônio ou háfnio, que atuam como centros de fixação artificiais. Basicamente, as partículas adicionam mais tachinhas, mantendo os fluxons magnéticos no lugar e aumentando efetivamente a densidade de corrente crítica em campos magnéticos altos.