Un scientifique du Laboratoire Fermi reconnu pour ses travaux améliorant les supraconducteurs utilisés pour les aimants des accélérateurs

11 mai 2023 | Fiona MD Samuels

Les accélérateurs de particules, comme ceux du Laboratoire national des accélérateurs Fermi du Département américain de l'énergie, constituent la base des expériences sur les collisionneurs de particules utilisées pour étudier la physique des hautes énergies. Xingchen Xu, scientifique de la division Technologie des aimants du Laboratoire Fermi, a été reconnu par la Société européenne de physique pour ses travaux de développement d'un nouveau type de matériau supraconducteur qui permettra d'obtenir des aimants accélérateurs encore plus puissants.

Xu a reçu le prix Frank Sacherer 2023 pour ses travaux de développement d'un nouveau type de supraconducteur niobium-étain. Ce matériau pourrait à terme être utilisé pour améliorer les aimants des accélérateurs.

L’énergie maximale qu’un accélérateur de particules circulaire 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 futur collisionneur circulaire, visent à générer des champs magnétiques de 16 tesla, soit le double de ce qui est actuellement utilisé dans le grand collisionneur de hadrons. Avec un champ magnétique aussi élevé, le FCC pourrait à terme atteindre des énergies de collision allant jusqu'à 100 000 milliards d'électronvolts, éclipsant ainsi le record actuel de 13 600 milliards d'électronvolts du LHC.

De meilleurs aimants feront de ce rêve une réalité.

Pour fabriquer un aimant 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, Xu a retenu l’un d’entre eux : le niobium-étain.

Les travaux du scientifique du Laboratoire Fermi, Xingchen Xu, améliorant les matériaux supraconducteurs ont été reconnus par la Société européenne de physique. Photo : Lynn Johnson, Laboratoire Fermi

Malheureusement, les performances des supraconducteurs niobium-étain ont stagné 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 en 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 ce que l'on appelle la force de fixation du flux. Les fluxons quantifiés, ou moustaches discrètes de magnétisme, pénètrent dans un fil supraconducteur dans un champ magnétique. La supraconductivité du fil nécessite que ces moustaches soient stationnaires : la rupture de leur condition statique brise la supraconductivité.

Lorsque le fil transporte un courant électrique, une force naît 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 de fixation dans la structure cristalline du supraconducteur ; Les centres d'épinglage maintiennent les fluxons en place. Mais, comme les punaises dans un tableau en liège, ces centres d’épinglage ne peuvent résister qu’à une certaine force avant de tomber en panne.

À mesure que le fil transporte davantage 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 l'énergie et détruit la supraconductivité. La quantité de courant qu'un supraconducteur peut contenir avant que ses fluxons ne bougent 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 prix de recherche du DOE en début de carrière pour un projet visant exactement cela en introduisant des centres de fixation artificiels à l'intérieur de fils de niobium-étain.

La recherche a porté ses fruits : Xu a développé des fils capables de transporter une densité de courant encore supérieure à celle spécifiée par l'équipe de conception de la FCC. En utilisant une technique d'oxydation interne, Xu peut fabriquer un fil supraconducteur de 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 davantage de punaises, maintenant les fluxons magnétiques en place et augmentant efficacement la densité de courant critique dans des champs magnétiques élevés.