211service.com
Superledende nanotråder kan brukes til å oppdage mørk materie
Et av de store vitenskapelige søkene i vår tid er jakten på mørk materie. Fysikere tror at disse tingene fyller universet og tror de kan se bevis på det i måten galakser roterer på. Faktisk spinner galakser så raskt at de burde fly fra hverandre med mindre en skjult masse genererer nok gravitasjonskraft til å holde dem sammen.
Disse bevisene har satt fysikere i gang for å finne mørk materie på jorden. De har konstruert dusinvis av observatorier, de fleste av dem i underjordiske huler dypt under overflaten, hvor bakgrunnsstøyen er lav. På spill er vitenskapelig berømmelse og formue, med gruppen som finner mørk materie som sannsynligvis vil bli rikt belønnet.
Men så langt har fysikere ikke funnet noe. Hvis det er der ute, er mørk materie veldig godt gjemt. Eller fysikere har lett på feil sted. En mulighet er at mørk materiepartikler er for små til at nåværende eksperimenter kan se. Så fysikere ønsker desperat bedre, mer sensitive måter å oppdage disse tingene på.
Gå inn Yonit Hochberg ved Hebraw University of Jerusalem i Israel og noen få kolleger, som har utviklet en lovende ny sensor basert på bittesmå superledende ledninger. Teamets prototype viser allerede potensialet i denne tilnærmingen.
Prinsippet bak den nye enheten er grei. Avkjøl visse metaller under en kritisk temperatur, og de leder uten motstand. Men så snart temperaturen deres stiger over denne terskelen, forsvinner den superledende oppførselen.
Fysikere vet at mørk materie partikler ikke kan samhandle sterkt med synlig materie; ellers ville de allerede ha sett dem. Men mørk materiepartikler kan frontkollidere med vanlige partikler.
Disse kollisjonene er sjeldne fordi vanlig materie stort sett er tomt rom, så mørk materiepartikler kan passere rett gjennom. Men når de kolliderer med en atomkjerne eller elektron i et gitter, for eksempel, får kollisjonen gitteret til å vibrere, og dermed øke temperaturen.
Det er denne temperaturstigningen superledende nanotråder er flinke til å avsløre. Oppvarmingen gjør at en liten del av ledningen slutter å superledende, og dette skaper igjen en spenningspuls som er lett å måle. Dessuten produserer en slik enhet få, om noen, falske positiver.
Hochberg og co har satt sin idé igjennom dens takter ved å bygge en prototype. Denne enheten består av et sett med wolfram silicid nanotråder som er bare 140 nanometer brede (et menneskehår er omtrent 100 000 nanometer bredt) og 400 mikrometer langt. Hele apparatet sitter bare noen få milligrader over absolutt null, slik at wolframsilisidtrådene blir superledere.
Teamet så etter spenningspulsene som kan avsløre en mørk materiekollisjon. Med passende skjerming på plass fant de ingen pulser i løpet av 10 000 sekunders varighet av målingene.
Det legger viktige begrensninger på typen mørk materie som kan være tilstede og dens tetthet. Det legger også begrensninger på andre typer partikler som fysikere spekulerer kan eksistere.
En av disse er det mørke fotonet - i hovedsak den mørke materieekvivalenten til det vanlige fotonet. Hvis de eksisterer, oppdaget ikke den nye sensoren en eneste. Resultatene fra denne enheten setter allerede meningsfulle grenser for mørk materie-elektroninteraksjoner, inkludert de sterkeste terrestriske grensene for sub-eV mørke fotonabsorpsjon til dags dato, sier Hochberg og co.
Det er imponerende arbeid, gitt at massen til nanotrådene bare er noen få nanogram. Neste trinn er å fremstille dem i større skala. Hochberg og co sier at teknologien er relativt moden, så dette bør være mulig på kort tidsskala. Faktisk anslår de at et akademisk laboratorium kan produsere tusen 200-nanometer detektorer med en total masse på 1,3 gram på bare ett år. En industrisatsing vil kunne realisere mange ganger så mange, påpeker de.
Så en kilogram-skala detektor kan være gjennomførbar i en ikke altfor fjern fremtid. En slik maskin ville konkurrere med de som allerede er i drift i jakten på mørk materie, men den ville se på forskjellige energier på en annen måte.
Så det kan være at superledende nanotråder en dag vil oppdage mørk materie – hvis den eksisterer i det hele tatt.
Ref: arxiv.org/abs/1903.05101 : Oppdager mørk materie med superledende nanotråder