Un scientifique du Laboratoire Fermi reconnu pour son travail sur l'amélioration des supraconducteurs utilisés pour les aimants des accélérateurs

11 mai 2023 | Fiona MD Samuels

Les accélérateurs de particules, comme ceux hébergés au Fermi National Accelerator Laboratory du Département américain de l'énergie, sont le fondement des expériences de collisionneur de particules utilisées pour étudier la physique des hautes énergies. Xingchen Xu, un scientifique de la division de la technologie des aimants du Laboratoire Fermi, a été reconnu par la Société européenne de physique pour son travail de développement d'un nouveau type de matériau supraconducteur qui permettra d'utiliser des aimants d'accélérateur encore plus puissants.

Xu a reçu le prix Frank Sacherer 2023 pour son travail de développement d'un nouveau type de supraconducteur niobium-étain. Ce matériau peut finalement être utilisé pour améliorer les aimants des accélérateurs.

L'énergie maximale qu'un accélérateur circulaire de particules peut atteindre dépend de la force des aimants supraconducteurs qui dirigent les particules autour de l'accélérateur. Augmentez le champ magnétique, et vous pouvez augmenter l'énergie du faisceau et améliorer la portée scientifique du collisionneur. Les conceptions de la prochaine génération d'accélérateurs, comme le Future Circular Collider, visent à générer des champs magnétiques de 16 tesla, soit le double de ce qui est actuellement utilisé dans le Large Hadron Collider. Avec un champ magnétique aussi élevé, le FCC pourrait finalement atteindre des énergies de collision allant jusqu'à 100 billions d'électronvolts, éclipsant le record actuel du LHC de 13,6 billions d'électronvolts.

De meilleurs aimants feront de ce rêve une réalité.

Pour fabriquer un aimant d'accélérateur, des fils supraconducteurs sont enroulés en bobines et électrifiés. La quantité de matériau supraconducteur utilisé dans sa construction, ou le nombre de bobines, et le comportement d'un matériau en tant que supraconducteur déterminent la puissance de l'aimant. Bien que quelques matériaux différents puissent être utilisés pour construire des aimants d'accélérateur, un se démarque pour Xu : le niobium-étain.

Les travaux du scientifique du laboratoire Fermi Xingchen Xu sur l'amélioration des matériaux supraconducteurs ont été reconnus par la Société européenne de physique. Photo : Lynn Johnson, Laboratoire Fermi

Malheureusement, les performances des supraconducteurs en niobium-étain se sont stabilisées depuis le début des années 2000, a déclaré Xu. C'était jusqu'à ce que Xu démontre récemment une nouvelle approche pour augmenter la densité de courant critique d'un fil d'étain niobium, ou la quantité de courant qu'il peut transporter par unité de surface. La densité de courant critique d'un supraconducteur est déterminée par la soi-disant force de fixation du flux. Des fluxons quantifiés, ou moustaches discrètes de magnétisme, pénètrent dans un fil supraconducteur dans un champ magnétique. La supraconductivité du fil nécessite que ces barbes soient stationnaires : la rupture de leur état statique casse la supraconductivité.

Lorsque le fil transporte un courant électrique, une force résulte de l'interaction entre le champ électrique et le champ magnétique. Les fluxons se déplacent sous cette force s'il n'y a pas d'imperfections, ou de centres d'épinglage, dans la structure cristalline du supraconducteur ; les centres d'épinglage maintiennent les fluxons en place. Mais, comme des punaises dans un tableau de liège, ces centres d'épinglage ne peuvent résister qu'à une certaine force avant de tomber en panne.

Au fur et à mesure que le fil transporte plus de courant, la force augmente et finit par dépasser la force de fixation du flux fournie par les imperfections du supraconducteur. Lorsque cela se produit, les fluxons se déplacent, ce qui dissipe de l'énergie et détruit la supraconductivité. La quantité de courant qu'un supraconducteur peut supporter avant que ses fluxons ne se déplacent définit la densité de courant critique.

L'ajout de centres de fixation de flux dans les matériaux supraconducteurs contribue à augmenter la densité de courant critique du matériau. Il y a quatre ans, Xu a reçu le DOE Early Career Research Award pour un projet visant à faire exactement cela en introduisant des centres d'épinglage artificiels à l'intérieur de fils de niobium-étain.

La recherche a abouti : Xu a développé des fils capables de transporter une densité de courant encore plus élevée que celle spécifiée par l'équipe de conception de la FCC. En utilisant une technique d'oxydation interne, Xu peut fabriquer un fil supraconducteur en niobium-étain parsemé de particules nanoscopiques d'oxyde de zirconium ou d'hafnium, qui agissent comme des centres d'épinglage artificiels. Fondamentalement, les particules ajoutent plus de punaises, maintenant les fluxons magnétiques en place et augmentant efficacement la densité de courant critique dans les champs magnétiques élevés.

"Les gens essaient d'ajouter des centres d'épinglage artificiels dans les fils de niobium-étain depuis les années 1980, mais cela n'a pas réussi", a déclaré Xu, "je suis heureux que cette approche ait finalement abouti".

Maintenant, il travaille sur la fabrication de fils assez longs pour être enroulés dans des aimants d'accélérateur.

En reconnaissance de cette réalisation, Xu a reçu cette année le prix Frank Sacherer de la Société européenne de physique. Décerné une fois tous les trois ans, ce prix le reconnaît comme un chercheur en début de carrière qui a apporté « une contribution originale et significative récente au domaine des accélérateurs ».

Xingchen Xu reçoit le prix Frank Sacherer 2023 lors de la 14e conférence internationale sur les accélérateurs de particules à Venise, en Italie. Photo : Sam Posen, Laboratoire Fermi

La remise du prix a eu lieu le 11 mai lors de la 14e Conférence internationale sur les accélérateurs de particules. Dans le cadre du prix, Xu a été invité à faire une présentation orale de son travail.

Même s'il est agréable d'être reconnu, Xu a déclaré : "J'espère davantage que cette méthode créera éventuellement un supraconducteur très utile."

Le Fermi National Accelerator Laboratory est soutenu par le Bureau des sciences du Département américain de l'énergie. L'Office of Science est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s'efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d'informations, veuillez visiter science.energy.gov.