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

11 de maio de 2023 | Fionna MD Samuels

Aceleradores de partículas, como aqueles instalados no Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi do Departamento de Energia dos EUA, são a base dos experimentos com colisores de partículas usados ​​para estudar física de alta energia. Xingchen Xu, cientista da Divisão de Tecnologia Magnética do Fermilab, foi reconhecido pela Sociedade Europeia de Física por seu trabalho no desenvolvimento de um novo tipo de material supercondutor que permitirá 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, em última análise, ser usado para melhorar ímãs aceleradores.

A energia máxima que um acelerador de partículas circular pode atingir depende da força dos ímãs supercondutores que orientam as partículas ao redor do acelerador. Aumente o campo magnético e você poderá aumentar a energia do feixe e melhorar o alcance científico do colisor. Os projetos para a próxima geração de aceleradores, como o Future Circular Collider, visam gerar campos magnéticos de 16 tesla – o dobro do que é atualmente usado no Large Hadron Collider. Com um campo magnético tão elevado, o FCC poderia finalmente 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 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 quão bem um material se comporta como supercondutor determinam a potência do ímã. Embora alguns materiais diferentes pudessem ser usados ​​para construir ímãs aceleradores, um se destacou para Xu: o nióbio-estanho.

O trabalho do cientista do Fermilab, Xingchen Xu, melhorando materiais supercondutores foi reconhecido pela Sociedade Europeia de Física. 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 nióbio-estanho, 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 bigodes discretos de magnetismo, penetram em um fio supercondutor em um campo magnético. A supercondutividade do fio exige que esses bigodes estejam estacionários: a quebra de sua condição estática quebra a supercondutividade.

Quando o fio transporta uma corrente elétrica, surge uma força da interação entre o campo elétrico e o campo magnético. Os fluxões mudam sob esta força se não houver imperfeições, ou centros de fixação, na estrutura cristalina do supercondutor; centros de fixação mantêm os fluxons no lugar. Mas, tal como as tachinhas num quadro de cortiça, estes centros de fixação só conseguem 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 do fluxo fornecida pelas imperfeições do supercondutor. Quando isso acontece, os fluxons se movimentam, o que dissipa energia e destrói a supercondutividade. A quantidade de corrente que um supercondutor pode conter antes que seus fluxons se movam define a densidade crítica de corrente.

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 prêmio DOE Early Career Research por um projeto que fez 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 zircônio ou óxido de 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 crítica de corrente em campos magnéticos elevados.