康奈爾大學明亮光束中心的一組科學家進行的新研究在開發(fā)新技術以指導下一代粒子加速器中使用的材料的生長方面取得了重大進展。
該研究發(fā)表在《物理化學雜志C》上，揭示了更好地控制超導Nb3Sn薄膜生長的潛力，這可以顯著降低超導技術所需的低溫基礎設施的成本和尺寸。
超導加速器設施，例如用于X射線自由電子激光輻射的設施，依靠鈮超導射頻(SRF)腔來產(chǎn)生高能束流。然而，相關的低溫基礎設施、能源消耗和鈮SRF腔的運營成本限制了這項技術的應用。
為了解決這個問題，研究人員一直在努力尋找可以在高于2開爾文的溫度下工作且品質因數(shù)與鈮(Nb)SRF腔相當?shù)某瑢Р牧?。最有前途的材料之一是鈮錫(Nb3Sn)，這是一種工作溫度為18開爾文的合金，因此減少了對昂貴的低溫基礎設施的需求。
盡管在Nb3Sn涂層腔的性能方面取得了理論和實驗上的進步，但仍然需要透徹了解如何生長更高質量的Nb3Sn合金薄膜。
“Nb3Sn空腔將成為未來的加速器，”藝術與科學學院HelenT.Edwards物理學教授兼明亮光束中心主任RitchiePatterson說。“只有通過多樣化的合作才能推動這門科學的發(fā)展——這是CBB核心的一個重要重點。我們所有合作機構之間的專業(yè)知識和密切合作正在推動這項研究走向未來。”
這項新的CBB研究由芝加哥大學的實驗材料化學家與佛羅里達大學的理論物理學家聯(lián)合進行，提供了氧化鈮上Sn的第一張原子級圖像，描繪了Nb3Sn形成的早期階段。這種Sn在氧化鈮上的吸附和擴散可視化是創(chuàng)建用于優(yōu)化下一代加速器腔制造的機械公式的重要進步。
“Nb3Sn的質量和加速性能取決于生長過程中發(fā)揮作用的許多復雜變量，”芝加哥大學CBB研究生、該論文的共同主要作者SarahWillson和博士后學者RachaelFarber說。“我們的目標是研究復雜生長過程的初始步驟，并在受控環(huán)境中隔離某些變量。”他們的原子級生長實驗得到了研究生AjinkyaHire的量子理論的支持。
在制備Nb3Sn加速器腔體時，科學家們旨在減少鈮腔體中的雜質和污染物，以獲得更清潔和更均勻的表面。然后在存在Sn蒸汽的情況下將空腔加熱到高溫。這導致Sn擴散到Nb層中，形成Nb3Sn。由于采取了謹慎的措施來生長原始的??Nb3Sn薄膜，仔細觀察空腔會發(fā)現(xiàn)一個高度無序、粗糙的多晶表面——而不是高度受控實驗理想的一致單晶表面。
Willson解釋說，為了進行這個實驗，他們在某種程度上重現(xiàn)了真實世界的制腔過程，但進一步超過了所需的溫度要求——將材料加熱到1630攝氏度，并創(chuàng)造出原子級扁平的鈮氧化物表面以展示Sn、Nb和O在原子水平上的相互作用。
金屬氧化物的觀察通常使用掃描隧道顯微鏡(STM)進行，揭示原子尺度的信息。然而，使用STM研究Nb3Sn生長的具體設置并不容易獲得。因此，Willson和Farber創(chuàng)建了一個。
他們設計并建造了一個定制的金屬沉積室，用于將Sn沉積在鈮表面上。該技術重現(xiàn)了開發(fā)加速器腔的真實環(huán)境——能夠防止表面污染——同時允許研究人員使用STM研究沉積。
“我們采用了最先進的STM設置，它并不是真正用于研究高溫金屬生長和合金形成，但通過CBB的資金，增加了金屬間化合物生長室，使我們能夠進行這些實驗原位，”Willson說，并指出使用金屬間化合物生長部分揭示了與鈮亞表面結合的單個Sn原子。
“我們發(fā)現(xiàn)，即使在高度受控的環(huán)境中，Nb表面也是阻止Nb3Sn形成所需的Sn擴散的主要障礙，”Willson說。“改善Nb3Sn的生長不僅僅是簡單地在鈮上形成一層均勻的錫涂層。”
這項研究由通訊作者、芝加哥大學CarlWilliamEisendrath杰出服務教授StevenSibener與CBB教員、佛羅里達大學材料科學與工程校友教授RichardHennig合作領導。
物理化學家Sibener表示，加速器科學和非加速器科學的不同領域之間的合作在他的經(jīng)歷中是獨一無二的，有助于為推進粒子加速器奠定基礎，并期待Nb3Sn的有希望的發(fā)展。
“CBB引發(fā)的合作，表面化學家、材料工程師、加速器物理學家和理論家以這種方式互動的能力，無疑增強了這項研究的力量，”Willson說。“就個人而言，我對如何正確應對與跨科學領域的不同術語、優(yōu)先事項和研究觀點相關的挑戰(zhàn)有了更深入的了解。許多化學家對工程師和物理學家遇到的這些類型的界面金屬生長挑戰(zhàn)很感興趣。這種合作促進了廣泛的跨學科交流，使進行這樣的研究更加舒適和高效。”
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