Científico de Fermilab reconocido por su trabajo en la mejora de superconductores utilizados para imanes aceleradores

11 de mayo de 2023 | Fiona MD Samuels

Los aceleradores de partículas, como los que se encuentran en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi del Departamento de Energía de EE. UU., son la base de los experimentos con colisionadores de partículas utilizados para estudiar la física de alta energía. Xingchen Xu, científico de la División de Tecnología de Imanes de Fermilab, ha sido reconocido por la Sociedad Física Europea 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. En última instancia, este material puede usarse para mejorar los imanes 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 Future Circular Collider, tienen como objetivo generar campos magnéticos de 16 teslas, el doble de lo que se usa actualmente en el Gran Colisionador de Hadrones. Con un campo magnético tan alto, la FCC podría 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 este sueño realidad.

Para hacer un imán acelerador, los cables superconductores se enrollan en bobinas y se electrifican. Tanto la cantidad de material superconductor utilizado en su construcción, o el número de bobinas, y qué tan bien se comporta un material como superconductor determina la potencia del imán. Aunque se podrían usar algunos materiales diferentes para construir imanes aceleradores, uno se destacó para Xu: 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-estaño se había estancado desde principios de la década de 2000, dijo 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 la cantidad de corriente que 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 filamentos discretos de magnetismo, penetran 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 alambre 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, como las chinchetas en un tablero de corcho, estos centros de fijación solo pueden soportar una cierta cantidad de fuerza antes de fallar.

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

Agregar centros de fijación de flujo dentro de los 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 los cables de niobio-estaño.

La investigación resultó: 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-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 flujos magnéticos en su lugar y aumentando efectivamente la densidad de corriente crítica en campos magnéticos altos.

"La gente ha estado tratando de agregar centros de fijación artificiales en los cables 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 hecho posible".

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

En reconocimiento a este logro, Xu recibió este año el Premio Frank Sacherer de la Sociedad Europea de Física. Otorgado una vez cada tres años, este premio lo reconoce como un investigador de carrera temprana que ha hecho "una contribución reciente significativa y original al campo de los aceleradores".

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

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

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

El Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador individual 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.