Fermilab 과학자는 가속기 자석에 사용되는 초전도체를 개선하는 연구로 인정받았습니다.

2023년 5월 11일 | 피오나 MD 사무엘스

미국 에너지부의 페르미 국립 가속기 연구소에 보관된 것과 같은 입자 가속기는 고에너지 물리학을 연구하는 데 사용되는 입자 충돌기 실험의 기반입니다. Fermilab의 자석 기술 부문 과학자인 Xingchen Xu는 훨씬 더 강력한 가속기 자석을 가능하게 하는 새로운 종류의 초전도 물질을 개발한 공로로 유럽 물리학회로부터 인정을 받았습니다.

Xu는 새로운 유형의 니오븀-주석 초전도체를 개발한 공로로 2023년 Frank Sacherer 상을 받았습니다. 이 재료는 궁극적으로 가속기 자석을 개선하는 데 사용될 수 있습니다.

원형 입자 가속기가 도달할 수 있는 최대 에너지는 가속기 주변의 입자를 조종하는 초전도 자석의 강도에 따라 달라집니다. 자기장을 늘리면 빔 에너지가 증가하고 충돌기의 과학적 도달 범위가 향상됩니다. Future Circular Collider와 같은 차세대 가속기 설계는 현재 Large Hadron Collider에서 사용되는 것의 두 배인 16테슬라 자기장을 생성하는 것을 목표로 합니다. 이러한 높은 자기장을 통해 FCC는 궁극적으로 최대 100조 전자볼트의 충돌 에너지에 도달할 수 있으며 이는 LHC의 현재 13.6조 전자볼트 기록을 왜소하게 만듭니다.

더 나은 자석은 이 꿈을 현실로 만들 것입니다.

가속기 자석을 만들기 위해서는 초전도 선재를 코일로 감아 대전시킨다. 자석을 구성하는 데 사용되는 초전도 물질의 양이나 코일 수, 물질이 초전도체로서 얼마나 잘 작동하는지에 따라 자석의 힘이 결정됩니다. 가속기 자석을 만드는 데 몇 가지 다른 재료를 사용할 수 있지만 Xu가 눈에 띄는 재료는 니오븀-주석입니다.

Fermilab 과학자 Xingchen Xu의 초전도 물질 개선 연구는 유럽 물리 학회(European Physical Society)로부터 인정을 받았습니다. 사진: 린 존슨(Lynn Johnson), 페르미연구소

불행하게도 니오븀-주석 초전도체의 성능은 2000년대 초반부터 정체 상태에 있었다고 Xu는 말했습니다. 그것은 Xu가 최근 니오븀 주석 와이어의 임계 전류 밀도, 즉 단위 면적당 얼마나 많은 전류를 전달할 수 있는지를 증가시키는 새로운 접근법을 시연하기 전까지였습니다. 초전도체의 임계 전류 밀도는 소위 자속 고정력(flux pinning force)에 의해 결정됩니다. 양자화된 플럭슨, 즉 개별적인 자기 휘스커는 자기장 내 초전도 선재를 관통합니다. 와이어의 초전도성은 이러한 수염이 고정되어 있어야 합니다. 정적 상태를 깨면 초전도성이 깨집니다.

도선에 전류가 흐르면 전기장과 자기장의 상호작용으로 인해 힘이 발생합니다. 초전도체의 결정 구조에 결함이나 고정 중심이 없으면 플럭손은 이 힘에 의해 이동합니다. 고정 센터는 플럭슨을 제자리에 유지합니다. 그러나 코르크판의 압정처럼 이러한 고정 센터는 일정량의 힘만 견디다가 고장납니다.

와이어에 더 많은 전류가 흐르면 힘이 증가하고 결국 초전도체의 결함으로 인해 제공되는 자속 고정력을 초과하게 됩니다. 이런 일이 발생하면 플럭슨이 이동하여 에너지를 소산하고 초전도성을 파괴합니다. 플럭슨이 이동하기 전에 초전도체가 보유할 수 있는 전류의 양이 임계 전류 밀도를 정의합니다.

초전도 물질 내에 자속 고정 센터를 추가하면 물질의 임계 전류 밀도를 높이는 데 도움이 됩니다. 4년 전 Xu는 니오븀-주석 와이어 내부에 인공 고정 센터를 도입하여 이를 수행하는 프로젝트로 DOE 조기 경력 연구 상을 받았습니다.

연구 결과는 다음과 같습니다. Xu는 FCC 설계 팀이 지정한 것보다 훨씬 더 높은 전류 밀도를 전달할 수 있는 와이어를 개발했습니다. Xu는 내부 산화 기술을 사용하여 인공 피닝 센터 역할을 하는 나노크기의 지르코늄 또는 하프늄 산화물 입자로 뒤덮인 니오븀-주석 초전도 와이어를 제작할 수 있습니다. 기본적으로 입자는 더 많은 압정을 추가하여 자속을 제자리에 유지하고 높은 자기장에서 임계 전류 밀도를 효과적으로 증가시킵니다.