研究人员捕获了第一张原子级图像描绘了粒子加速器薄膜形成的早期阶段

康奈尔大学明亮光束中心的一组科学家进行的新研究在开发新技术以指导下一代粒子加速器中使用的材料的生长方面取得了重大进展。

该研究发表在《物理化学杂志C》上，揭示了更好地控制超导Nb3Sn薄膜生长的潜力，这可以显着降低超导技术所需的低温基础设施的成本和尺寸。

超导加速器设施，例如用于X射线自由电子激光辐射的设施，依靠铌超导射频(SRF)腔来产生高能束流。然而，相关的低温基础设施、能源消耗和铌SRF腔的运营成本限制了这项技术的应用。

为了解决这个问题，研究人员一直在努力寻找可以在高于2开尔文的温度下工作且品质因数与铌(Nb)SRF腔相当的超导材料。最有前途的材料之一是铌锡(Nb3Sn)，这是一种工作温度为18开尔文的合金，因此减少了对昂贵的低温基础设施的需求。

尽管在Nb3Sn涂层腔的性能方面取得了理论和实验上的进步，但仍然需要透彻了解如何生长更高质量的Nb3Sn合金薄膜。

“Nb3Sn空腔将成为未来的加速器，”艺术与科学学院HelenT.Edwards物理学教授兼明亮光束中心主任RitchiePatterson说。“只有通过多样化的合作才能推动这门科学的发展——这是CBB核心的一个重要重点。我们所有合作机构之间的专业知识和密切合作正在推动这项研究走向未来。”

这项新的CBB研究由芝加哥大学的实验材料化学家与佛罗里达大学的理论物理学家联合进行，提供了氧化铌上Sn的第一张原子级图像，描绘了Nb3Sn形成的早期阶段。这种Sn在氧化铌上的吸附和扩散可视化是创建用于优化下一代加速器腔制造的机械公式的重要进步。

“Nb3Sn的质量和加速性能取决于生长过程中发挥作用的许多复杂变量，”芝加哥大学CBB研究生、该论文的共同主要作者SarahWillson和博士后学者RachaelFarber说。“我们的目标是研究复杂生长过程的初始步骤，并在受控环境中隔离某些变量。”他们的原子级生长实验得到了研究生AjinkyaHire的量子理论的支持。

在制备Nb3Sn加速器腔体时，科学家们旨在减少铌腔体中的杂质和污染物，以获得更清洁和更均匀的表面。然后在存在Sn蒸汽的情况下将空腔加热到高温。这导致Sn扩散到Nb层中，形成Nb3Sn。由于采取了谨慎的措施来生长原始的​​Nb3Sn薄膜，仔细观察空腔会发现一个高度无序、粗糙的多晶表面——而不是高度受控实验理想的一致单晶表面。

Willson解释说，为了进行这个实验，他们在某种程度上重现了真实世界的制腔过程，但进一步超过了所需的温度要求——将材料加热到1630摄氏度，并创造出原子级扁平的铌氧化物表面以展示Sn、Nb和O在原子水平上的相互作用。

金属氧化物的观察通常使用扫描隧道显微镜(STM)进行，揭示原子尺度的信息。然而，使用STM研究Nb3Sn生长的具体设置并不容易获得。因此，Willson和Farber创建了一个。

他们设计并建造了一个定制的金属沉积室，用于将Sn沉积在铌表面上。该技术重现了开发加速器腔的真实环境——能够防止表面污染——同时允许研究人员使用STM研究沉积。

“我们采用了最先进的STM设置，它并不是真正用于研究高温金属生长和合金形成，但通过CBB的资金，增加了金属间化合物生长室，使我们能够进行这些实验原位，”Willson说，并指出使用金属间化合物生长部分揭示了与铌亚表面结合的单个Sn原子。

“我们发现，即使在高度受控的环境中，Nb表面也是阻止Nb3Sn形成所需的Sn扩散的主要障碍，”Willson说。“改善Nb3Sn的生长不仅仅是简单地在铌上形成一层均匀的锡涂层。”

这项研究由通讯作者、芝加哥大学CarlWilliamEisendrath杰出服务教授StevenSibener与CBB教员、佛罗里达大学材料科学与工程校友教授RichardHennig合作领导。

物理化学家Sibener表示，加速器科学和非加速器科学的不同领域之间的合作在他的经历中是独一无二的，有助于为推进粒子加速器奠定基础，并期待Nb3Sn的有希望的发展。

“CBB引发的合作，表面化学家、材料工程师、加速器物理学家和理论家以这种方式互动的能力，无疑增强了这项研究的力量，”Willson说。“就个人而言，我对如何正确应对与跨科学领域的不同术语、优先事项和研究观点相关的挑战有了更深入的了解。许多化学家对工程师和物理学家遇到的这些类型的界面金属生长挑战很感兴趣。这种合作促进了广泛的跨学科交流，使进行这样的研究更加舒适和高效。”

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