Studiuesit kapin imazhet e para në shkallë atomike që përshkruajnë fazat e hershme të formimit të filmit të përshpejtuesit të grimcave

Hulumtimi i ri nga një ekip shkencëtarësh në Qendrën e Universitetit Cornell për Trarët e Ndritshëm ka bërë hapa të rëndësishëm në zhvillimin e teknikave të reja për të udhëhequr rritjen e materialeve të përdorura në përshpejtuesit e grimcave të gjeneratës së ardhshme.

Studimi, i botuar në Journal of Physical Chemistry C, zbulon potencialin për kontroll më të madh mbi rritjen e filmave superpërcjellës Nb3Sn, të cilat mund të zvogëlojnë ndjeshëm koston dhe madhësinë e infrastrukturës kriogjenike të nevojshme për teknologjinë superpërcjellëse.

Objektet e përshpejtuesit superpërcjellës, si ato të përdorura për rrezatimin lazer me elektron të lirë me rreze X, mbështeten në zgavrat e frekuencës së radios superpërcjellëse të niobiumit (SRF) për të gjeneruar rreze me energji të lartë. Megjithatë, infrastruktura e lidhur kriogjenike, konsumi i energjisë dhe kostot e funksionimit të zgavrave të SRF të niobiumit kufizojnë aksesin në këtë teknologji.

Për të adresuar këtë çështje, studiuesit kanë punuar për të identifikuar materialet superpërcjellëse që mund të funksionojnë në temperatura më të larta se 2 Kelvin me faktorë të cilësisë të krahasueshëm me zgavrat e SRF të niobiumit (Nb). Një nga materialet më premtuese është kallaji triniobium (Nb3Sn), një aliazh me një temperaturë funksionimi prej 18 Kelvin, duke reduktuar kështu nevojën për infrastrukturë të shtrenjtë kriogjenike.

Pavarësisht përparimeve teorike dhe eksperimentale në performancën e zgavrave të veshura me Nb3Sn, ekziston ende nevoja për një kuptim të plotë se si të rriten filma aliazh Nb3Sn me cilësi më të lartë.

“Zgavrat e Nb3Sn do të jenë përshpejtuesit e së ardhmes,” thotë Ritchie Patterson, Profesor i Fizikës Helen T. Edwards në Kolegjin e Arteve dhe Shkencave dhe drejtor i Qendrës për Trarët e Ndritshëm. “Përparimi i kësaj shkence është bërë i mundur vetëm përmes bashkëpunimeve të ndryshme – një fokus i rëndësishëm në zemër të CBB. Ekspertiza dhe bashkëpunimet e ngushta midis të gjitha institucioneve tona partnere po e çojnë këtë kërkim në të ardhmen.”

Ky hulumtim i ri CBB, i kryer nga kimistë të materialeve eksperimentale në Universitetin e Çikagos së bashku me fizikantë teorikë në Universitetin e Floridës, jep imazhet e para në shkallë atomike të Sn në niobiumin e oksiduar, duke përshkruar fazat e hershme të formimit të Nb3Sn. Ky vizualizim i adsorbimit dhe difuzionit të Sn në niobiumin e oksiduar është një përparim thelbësor në krijimin e një formule mekanike për optimizimin e fabrikimit të kaviteteve të përshpejtuesit të gjeneratës së ardhshme.

“Cilësia dhe performanca e përshpejtuar e Nb3Sn varet nga shumë variabla të ndërlikuara në lojë gjatë procedurës së rritjes,” thotë Sarah Willson, studente e diplomuar në CBB në Universitetin e Çikagos dhe autore bashkë-drejtuese e punimit së bashku me studiuesen postdoktorale Rachael Farber. “Ne po synojmë të shikojmë hapat fillestarë të një procesi të ndërlikuar rritjeje dhe të izolojmë disa variabla në një mjedis të kontrolluar.” Eksperimentet e tyre të rritjes në nivel atomik mbështeten nga teoria kuantike nga studenti i diplomuar Ajinkya Hire.

Ndërsa përgatiten zgavrat e përshpejtuesit Nb3Sn, shkencëtarët synojnë të reduktojnë papastërtitë dhe ndotësit nga zgavra e niobiumit për të arritur një sipërfaqe më të pastër dhe më uniforme. Zgavra më pas nxehet në temperatura të larta në prani të një avulli Sn. Kjo bën që Sn të shpërndahet në shtresën Nb, duke formuar Nb3Sn. Ndërsa merren masa të kujdesshme për të rritur një film të pacenuar Nb3Sn, duke parë nga afër në të gjithë zgavrën zbulohet një sipërfaqe shumë e çrregullt, e ashpër, polikristaline – jo sipërfaqja e qëndrueshme me një kristal ideal për një eksperiment shumë të kontrolluar.

Willson shpjegon se për të kryer këtë eksperiment, ata rikrijojnë, në një farë mënyre, procesin në botën reale të krijimit të zgavrës, por më tej tejkalojnë kërkesat e nevojshme për temperaturën – duke ngrohur materialet në 1630 gradë Celsius dhe duke krijuar një niobium të sheshtë atomik. sipërfaqja e oksidit për të shfaqur ndërveprimet e Sn, Nb dhe O në nivelin atomik.

Vëzhgimet e oksideve të metaleve kryhen në mënyrë rutinore duke përdorur mikroskopin e tunelit skanues, STM, duke zbuluar informacione në shkallë atomike. Sidoqoftë, konfigurimi specifik për studimin e rritjes së Nb3Sn me STM nuk është lehtësisht i disponueshëm. Pra, Willson dhe Farber krijuan një të tillë.

Ata projektuan dhe ndërtuan një dhomë depozitimi metalik me porosi për të depozituar Sn në sipërfaqen e niobiumit. Kjo teknikë rikrijon mjedisin e botës reale në të cilin zhvillohen zgavrat e përshpejtuesit – me aftësinë për të parandaluar ndotjen e sipërfaqes – ndërsa i lejon studiuesit të studiojnë depozitimin duke përdorur STM.

“Ne kemi marrë një konfigurim më të avancuar STM, i cili nuk është ndërtuar në të vërtetë për të studiuar rritjen metalike në temperaturë të lartë dhe formimin e aliazhit, por nëpërmjet fondeve nga CBB, kemi shtuar dhomën e rritjes ndërmetalike që na lejon të bëjmë këto eksperimente. in-situ”, thotë Willson, duke deklaruar se përdorimi i seksionit të rritjes ndërmetalike zbulon atomet individuale të Sn që integrohen me nënsipërfaqen e niobit.

“Ne shohim se edhe në mjedisin tonë shumë të kontrolluar, sipërfaqja Nb shërben si një pengesë kryesore në parandalimin e difuzionit të Sn që kërkohet për formimin e Nb3Sn,” thotë Willson. “Përmirësimi i rritjes së Nb3Sn është shumë më tepër sesa thjesht zhvillimi i një shtrese uniforme të veshjes së kallajit mbi niobium.”

Ky studim u drejtua nga autori korrespondues Steven Sibener, Carl William Eisendrath Profesor i Shquar i Shërbimit në Universitetin e Çikagos, në bashkëpunim me anëtarin e fakultetit të CBB, Richard Hennig, Profesor Alumni i Shkencës dhe Inxhinierisë së Materialeve në Universitetin e Floridës.

Sibener, një kimist fizik, thotë se bashkëpunimi midis fushave të ndryshme të shkencave përshpejtues dhe jo-përshpejtues është unik në përvojën e tij, duke ndihmuar në hedhjen e bazave për avancimin e përshpejtuesve të grimcave dhe pret me padurim zhvillimet premtuese të Nb3Sn.

“Bashkëpunimet që ndez CBB, aftësia për kimistët sipërfaqësor, inxhinierët e materialeve, fizikantët e përshpejtuesve dhe teoricienët për të bashkëvepruar në këtë mënyrë, sigurisht që ka fuqizuar dhe forcuar këtë kërkim,” thotë Willson. “Personalisht, kam fituar një kuptim më të thellë se si të navigoj siç duhet sfidat që lidhen me zhargonin e ndryshëm, prioritetet dhe perspektivat e kërkimit nëpër fusha shkencore. Shumë kimistë janë të interesuar për këto lloje të sfidave të rritjes metalike ndërfaqe që hasen nga inxhinierët dhe fizikantët. Ky bashkëpunim lehtësoi një komunikim të gjerë ndërdisiplinor që e ka bërë kryerjen e një studimi të tillë më komod dhe efikas.”