Scienziato del Fermilab premiato per il suo lavoro sul miglioramento dei superconduttori utilizzati per i magneti degli acceleratori

11 maggio 2023 | Fiona MD Samuels

Gli acceleratori di particelle, come quelli ospitati presso il Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, sono il fondamento degli esperimenti con collisori di particelle utilizzati per studiare la fisica delle alte energie. Xingchen Xu, uno scienziato della divisione Magnet Technology del Fermilab, è stato riconosciuto dalla European Physical Society per il suo lavoro nello sviluppo di un nuovo tipo di materiale superconduttore che consentirà magneti acceleratori ancora più potenti.

Xu ha ricevuto il Premio Frank Sacherer 2023 per il suo lavoro sullo sviluppo di un nuovo tipo di superconduttore niobio-stagno. Questo materiale potrebbe infine essere utilizzato per migliorare i magneti dell'acceleratore.

L'energia massima che un acceleratore di particelle circolare può raggiungere dipende dalla forza dei magneti superconduttori che guidano le particelle attorno all'acceleratore. Aumenta il campo magnetico e potrai aumentare l'energia del raggio e migliorare la portata scientifica del collisore. I progetti per la prossima generazione di acceleratori, come il Future Circular Collider, mirano a generare campi magnetici da 16 tesla, il doppio di quelli attualmente utilizzati nel Large Hadron Collider. Con un campo magnetico così elevato, la FCC potrebbe infine raggiungere energie di collisione fino a 100 trilioni di elettronvolt, facendo impallidire l’attuale record di 13,6 trilioni di elettronvolt dell’LHC.

Magneti migliori trasformeranno questo sogno in realtà.

Per realizzare un magnete acceleratore, i fili superconduttori vengono avvolti in bobine ed elettrificati. Sia la quantità di materiale superconduttore utilizzato nella sua costruzione, o il numero di bobine, sia il modo in cui un materiale si comporta come superconduttore determinano la potenza del magnete. Anche se per costruire i magneti degli acceleratori potrebbero essere utilizzati diversi materiali, Xu ne ha notato uno: il niobio-stagno.

Il lavoro dello scienziato del Fermilab Xingchen Xu nel miglioramento dei materiali superconduttori è stato riconosciuto dalla Società Europea di Fisica. Foto: Lynn Johnson, Fermilab

Sfortunatamente, le prestazioni dei superconduttori niobio-stagno si sono stabilizzate dall’inizio degli anni 2000, ha affermato Xu. Questo fino a quando Xu ha recentemente dimostrato un nuovo approccio per aumentare la densità di corrente critica di un filo di stagno al niobio, o la quantità di corrente che può trasportare per unità di area. La densità di corrente critica di un superconduttore è determinata dalla cosiddetta forza di bloccaggio del flusso. Flussi quantizzati, o baffi discreti di magnetismo, penetrano un filo superconduttore in un campo magnetico. La superconduttività del filo richiede che questi baffi siano stazionari: rompendo la loro condizione statica si rompe la superconduttività.

Quando il filo è percorso da corrente elettrica, dall'interazione tra il campo elettrico e il campo magnetico nasce una forza. I flussoni si spostano sotto questa forza se non ci sono imperfezioni, o centri di ancoraggio, nella struttura cristallina del superconduttore; i centri di fissaggio mantengono i flussoni in posizione. Ma, come le puntine da disegno in una bacheca di sughero, questi centri di fissaggio possono sopportare solo una certa quantità di forza prima di cedere.

Man mano che il filo trasporta più corrente, la forza aumenta e alla fine supera la forza di bloccaggio del flusso fornita dalle imperfezioni del superconduttore. Quando ciò accade, i flussoni si muovono, dissipando energia e distruggendo la superconduttività. La quantità di corrente che un superconduttore può trattenere prima che i suoi flussoni si muovano definisce la densità di corrente critica.

L'aggiunta di centri di fissaggio del flusso all'interno dei materiali superconduttori aiuta ad aumentare la densità di corrente critica del materiale. Quattro anni fa, Xu ha ricevuto il DOE Early Career Research Award per un progetto che mirava proprio a questo obiettivo introducendo centri di fissaggio artificiali all’interno dei fili di niobio-stagno.

La ricerca ha avuto successo: Xu ha sviluppato cavi in ​​grado di trasportare una densità di corrente addirittura superiore a quella specificata dal team di progettazione della FCC. Utilizzando una tecnica di ossidazione interna, Xu può fabbricare un filo superconduttore di niobio-stagno tempestato di particelle nanoscopiche di ossido di zirconio o afnio, che agiscono come centri di fissaggio artificiali. Fondamentalmente, le particelle aggiungono più puntine da disegno, mantenendo i flussoni magnetici in posizione e aumentando di fatto la densità di corrente critica in corrispondenza di campi magnetici elevati.