Superledende nanotråde kunne bruges til at detektere mørkt stof

En af vor tids store videnskabelige søgninger er jagten på mørkt stof. Fysikere mener, at disse ting fylder universet og tror, ​​de kan se beviser for det i den måde, galakser roterer på. Faktisk spinner galakser så hurtigt, at de burde flyve fra hinanden, medmindre en skjult masse genererer nok tyngdekraft til at holde dem sammen.

Disse beviser har sat fysikere i gang for at finde mørkt stof på Jorden. De har bygget snesevis af observatorier, de fleste af dem i underjordiske huler dybt under overfladen, hvor baggrundsstøjen er lav. På spil er videnskabelig berømmelse og formue, med den gruppe, der finder mørkt stof, som sandsynligvis vil blive rigt belønnet.

Men indtil videre har fysikere ikke fundet noget. Hvis det er derude, er mørkt stof meget godt skjult. Eller fysikere har ledt det forkerte sted. En mulighed er, at mørkt stofpartikler er for små til, at de nuværende eksperimenter kan se. Så fysikere ønsker desperat bedre, mere følsomme måder at opdage disse ting på.

Indtast Yonit Hochberg på Hebrew University of Jerusalem i Israel og et par kolleger, som har udviklet en lovende ny sensor baseret på bittesmå superledende ledninger. Teamets prototype viser allerede potentialet i denne tilgang.

Princippet bag den nye enhed er ligetil. Afkøl visse metaller under en kritisk temperatur, og de leder uden modstand. Men så snart deres temperatur stiger over denne tærskel, forsvinder den superledende adfærd.

Fysikere ved, at mørkt stof partikler ikke kan interagere stærkt med synligt stof; ellers havde de allerede set dem. Men mørkt stof-partikler kan støde frontalt sammen med almindelige partikler.

Disse kollisioner er sjældne, fordi almindeligt stof for det meste er tomt rum, så mørkt stofpartikler kan passere lige igennem. Men når de for eksempel kolliderer med en atomkerne eller elektron i et gitter, får kollisionen gitteret til at vibrere, hvorved dets temperatur hæves.

Det er denne temperaturstigning, som superledende nanotråde er gode til at afsløre. Opvarmningen får en lille del af ledningen til at stoppe med at superledende, og det skaber igen en spændingsimpuls, der er nem at måle. Hvad mere er, en sådan enhed producerer få, hvis nogen, falske positiver.

Hochberg og co har sat deres idé igennem dens tempo ved at bygge en prototype. Denne enhed består af et sæt af wolfram silicid nanotråde, der kun er 140 nanometer brede (et menneskehår er omkring 100.000 nanometer bredt) og 400 mikrometer langt. Hele apparatet sidder blot et par milligrader over det absolutte nulpunkt, så wolframsilicidtrådene bliver superledere.

Holdet ledte derefter efter de spændingsimpulser, der kunne afsløre en kollision med mørkt stof. Med passende afskærmning på plads fandt de ingen impulser i løbet af 10.000 sekunders varighed af deres målinger.

Det sætter vigtige begrænsninger på typen af ​​mørkt stof, der kan være til stede, og dets tæthed. Det sætter også begrænsninger på andre typer partikler, som fysikere spekulerer på, kan eksistere.

En af disse er den mørke foton - i det væsentlige det mørke stof, der svarer til den almindelige foton. Hvis de eksisterer, har den nye sensor ikke registreret en eneste. Resultaterne fra denne enhed sætter allerede meningsfulde grænser for mørkt stof-elektroninteraktioner, inklusive de stærkeste terrestriske grænser for sub-eV mørke fotonabsorption til dato, siger Hochberg og co.

Det er imponerende arbejde i betragtning af, at massen af ​​nanotrådene kun er nogle få nanogram. Næste trin er at fremstille dem i større skala. Hochberg og co siger, at teknologien er relativt moden, så det burde være muligt på kort tidsskala. Faktisk anslår de, at et akademisk laboratorium kunne producere tusindvis af 200 nanometer detektorer med en samlet masse på 1,3 gram på bare et år. En industriel indsats kunne realisere mange gange det tal, påpeger de.

Så en kilogram-skala detektor kunne være gennemførlig i en ikke alt for fjern fremtid. En sådan maskine ville konkurrere med dem, der allerede er i drift i søgen efter mørkt stof, men den ville se på forskellige energier på en anden måde.

Så det kan være, at superledende nanotråde en dag vil opdage mørkt stof – hvis det overhovedet eksisterer.

Ref: arxiv.org/abs/1903.05101 : Registrering af mørkt stof med superledende nanotråde

skjule