フェルミ研究所の科学者、加速器磁石に使用される超伝導体を改良した業績で認められる

2023 年 5 月 11 日 | フィオナMDサミュエルズ

米国エネルギー省のフェルミ国立加速器研究所にあるような粒子加速器は、高エネルギー物理学の研究に使用される粒子衝突器実験の基盤です。 フェルミ研究所の磁石技術部門の科学者、Xingchen Xu 氏は、さらに強力な加速器磁石を可能にする新しい種類の超伝導材料を開発した功績が欧州物理学会から認められました。

徐氏は、新しいタイプのニオブ錫超伝導体開発の功績により、2023年フランク・ザッヘラー賞を受賞した。 この材料は、最終的には加速器磁石の改良に使用される可能性があります。

円形粒子加速器が到達できる最大エネルギーは、加速器の周囲で粒子を操縦する超電導磁石の強度によって決まります。 磁場を増加させると、ビームエネルギーが増加し、衝突型加速器の科学的到達距離を向上させることができます。 Future Circular Collider のような次世代加速器の設計は、現在大型ハドロン衝突型加速器で使用されているものの 2 倍である 16 テスラの磁場を生成することを目指しています。 このような高い磁場により、FCC は最終的に最大 100 兆電子ボルトの衝突エネルギーに達する可能性があり、LHC の現在の 13.6 兆電子ボルトの記録を小さくすることになります。

より優れた磁石がこの夢を現実にします。

加速器磁石を作るには、超電導線をコイルに巻き、通電します。 磁石の磁力は、その構造に使用される超電導材料の量またはコイルの数と、材料が超電導体としてどの程度うまく機能するかによって決まります。 加速器磁石の構築にはいくつかの異なる材料が使用できますが、Xu が特に注目したのはニオブ錫です。

フェルミ研究所の科学者シンチェン・シュー氏の超電導材料を改良する研究が欧州物理学会に認められた。 写真: Lynn Johnson、フェルミ研究所

残念ながら、ニオブ錫超伝導体の性能は 2000 年代初頭から頭打ちになったと徐氏は述べた。 それは、Xu が最近、ニオブ錫ワイヤの臨界電流密度、つまり単位面積あたりにどれだけの電流を流すことができるかを増加させる新しいアプローチを実証するまでのことでした。超電導体の臨界電流密度は、いわゆる磁束ピン止め力によって決まります。 量子化されたフラクソン、または磁性の個別のひげは、磁場内の超電導線を貫通します。 ワイヤの超電導性を実現するには、これらのウィスカーが静止している必要があります。静的な状態を破ると、超電導性が破壊されます。

ワイヤに電流が流れると、電場と磁場の相互作用によって力が発生します。 超伝導体の結晶構造に欠陥や固定中心がない場合、フラクソンはこの力の下で移動します。 ピン止めセンターがフラクソンを所定の位置に保ちます。 しかし、コルクボードの画鋲と同様に、これらのピン留めセンターは一定量の力に耐えないと破損しません。

ワイヤがより多くの電流を流すと、その力は増大し、最終的には超電導体の不完全性によってもたらされる磁束固定力を超えます。 これが起こるとフラクソンが移動し、エネルギーが散逸して超伝導が破壊されます。 超電導体がそのフラクソンが移動する前に保持できる電流の量が臨界電流密度を定義します。

超電導材料内に磁束ピン止め中心を追加すると、材料の臨界電流密度が増加します。 4 年前、Xu 氏は、ニオブ錫ワイヤー内に人工ピン止めセンターを導入するというまさにそれを実現するプロジェクトで、DOE Early Career Research Award を受賞しました。

研究の結果は次のようになりました。徐氏は、FCC 設計チームが指定した電流密度よりもさらに高い電流密度を流すことができるワイヤを開発しました。 Xu 氏は、内部酸化技術を使用して、人工ピン止め中心として機能するナノスケールの酸化ジルコニウムまたはハフニウムの粒子を散りばめたニオブ錫超電導線を製造することができます。 基本的に、粒子はより多くの画鋲を追加し、磁束を所定の位置に維持し、高磁場での臨界電流密度を効果的に増加させます。

「1980年代以来、ニオブ錫ワイヤーに人工ピン止めセンターを追加しようとしてきましたが、成功していませんでした。このアプローチが最終的に実現できてうれしいです。」と徐氏は語った。

現在、彼は加速器磁石に巻くのに十分な長さのワイヤーの製造に取り組んでいます。

この功績が認められ、徐氏は今年、欧州物理学会のフランク・ザッハー賞を受賞した。 3 年に 1 度授与されるこの賞は、「加速器分野への最近の重要な独創的な貢献」を果たした初期の研究者として彼を表彰します。

Xingchen Xu が、イタリアのベニスで開催された第 14 回国際粒子加速器会議で 2023 年フランク・ザッハラー賞を受賞しました。 写真: Sam Posen、フェルミ研究所

授賞式は5月11日に第14回国際粒子加速器会議で行われた。 受賞の一環として、Xu は自分の研究についての口頭プレゼンテーションを行うよう招待されました。

認められるのはうれしいことだが、徐氏は「この方法が最終的に非常に有用な超伝導体を生み出すことをもっと期待している」と語った。

フェルミ国立加速器研究所は、米国エネルギー省科学局の支援を受けています。 科学局は、米国における物理科学の基礎研究の最大の支援者であり、現代の最も差し迫った課題のいくつかに対処するために取り組んでいます。 詳細については、science.energy.gov をご覧ください。