研究人员捕获描绘粒子加速器薄膜形成早期阶段的第一个原子尺度图像

康奈尔大学明亮光束中心(Cornell University Center for Bright Beams)一组科学家的新研究在开发新技术以指导下一代粒子加速器所用材料生长方面取得了重大进展。

这项研究发表在《物理化学杂志C》上，揭示了更好地控制超导Nb生长的潜力。3Sn薄膜，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)腔来产生高能光束。然而，相关的低温基础设施、能耗和铌SRF腔的运营成本限制了这项技术的使用。

为了解决这个问题，研究人员一直在努力确定可以在高于2开尔文的温度下工作的超导材料，其质量因数与铌(Nb)SRF腔相当。最有前途的材料之一是三铌锡(Nb3Sn)，一种工作温度为 18 开尔文的合金，从而减少了对昂贵的低温基础设施的需求。

尽管Nb的性能在理论和实验上取得了进步3Sn涂层腔体，仍然需要彻底了解如何种植更高质量的Nb3锡合金薄膜。

#NC3Sn空腔将成为未来的加速器，“艺术与科学学院Helen T. Edwards物理学教授兼明亮光束中心主任Ritchie Patterson说。“只有通过多样化的合作才能推进这一科学，这是CBB核心的重要关注点。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和佛罗里达大学的理论物理学家进行，提供了氧化铌上Sn的第一个原子尺度图像，描绘了Nb的早期阶段3锡形成。氧化铌上Sn吸附和扩散的可视化是创建用于优化下一代加速器腔制造的机理公式的重要进步。

“Nb的质量和加速性能3Sn取决于生长过程中许多复杂的变量，“芝加哥大学CBB研究生Sarah Willson说，他是该论文的共同主要作者，也是博士后学者Rachael Farber的共同主要作者。“我们的目标是研究复杂增长过程的初始步骤，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Ajinkya Hire的量子理论的支持。

如 Nb3准备了Sn加速器腔，科学家的目标是减少铌腔中的杂质和污染物，以实现更清洁，更均匀的表面。然后在Sn蒸汽存在下将腔体加热到高温。这导致Sn扩散到Nb层中，形成Nb3锡。随着采取谨慎措施种植原始Nb3仔细观察整个腔体的Sn薄膜会发现高度无序，粗糙的多晶表面 - 而不是高度受控实验的理想一致的单晶表面。

威尔森解释说，为了进行这个实验，他们在某种程度上重现了现实世界的空腔制造过程，但进一步超越了所需的温度要求——将材料加热到1630摄氏度，并创建一个原子平坦的氧化铌表面，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。但是，研究Nb的具体设置3STM的Sn生长并不容易获得。所以，威尔森和法伯创造了一个。

他们设计并建造了一个定制的金属沉积室，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，具有防止表面污染的能力，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装置，它并不是真正用来研究高温金属生长和合金形成的，但通过CBB的资金，增加了金属间生长室，使我们能够在原位进行这些实验，”威尔森说，指出使用金属间生长部分揭示了与铌地下整合的单个Sn原子。

“我们看到，即使在我们高度受控的环境中，Nb表面也是防止Nb所需的Sn扩散的主要障碍。3Sn形成，“威尔森说。“提高Nb3Sn的增长不仅仅是简单地在铌上形成均匀的锡涂层。

这项研究由芝加哥大学Carl William Eisendrath杰出服务教授Steven Sibener领导，与CBB教员Richard Hennig合作，他是佛罗里达大学材料科学与工程校友教授。

物理化学家Sibener表示，加速器和非加速器科学不同领域的合作在他的经验中是独一无二的，有助于为推进粒子加速器奠定基础，并期待Nb的有希望的发展。3锡。

“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，无疑增强和加强了这项研究，”威尔森说。“就我个人而言，我对如何正确应对与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。