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美国实验室将超导纳米线光子探测器（SNSPD）改造为高能质子探测器
发布时间:
2025-02-25
据国外媒体消息，2025年2月16日，美国能源部阿贡国家实验室的研究团队近期在费米国家加速器实验室（Fermilab）的试验束流设施中取得突破：他们首次将原本用于探测光子的超导纳米线光子探测器（SNSPD）成功改造为高能粒子探测器，解决了传统设备难以捕捉高能粒子的关键难题。
据国外媒体消息，2025年2月16日，美国能源部阿贡国家实验室的研究团队，近期在费米国家加速器实验室（Fermilab）的试验束流设施中取得突破：他们首次将原本用于探测光子的超导纳米线光子探测器（SNSPD）成功改造为高能质子探测器，解决了传统设备难以捕捉高能质子的关键难题。
研究背景及动机
所谓的高能质子探测器是揭示宇宙基本组成单元的关键工具。科学家通过它们研究高能质子对撞中产生的粒子行为与性质。这些粒子在大型加速器中接近光速运动后，与靶标或其他质子发生碰撞，最终由探测器分析数据。然而，传统的探测器技术，在灵敏度与精度上仍存在局限，难以满足特定的研究需求。
技术原理与实现路径
在这样的背景下，美国能源部阿贡国家实验室的研究团队，在超导纳米线光子探测器（SNSPD），这一通过低温超导纳米线，吸收单个光子产生的电信号变化进行探测的技术基础上，通过调整纳米线宽度（小于400纳米，人类头发直径约10万纳米），使得该设备可精准捕捉高能质子。经过研究团队在费米实验室，用120 GeV质子束测试不同线宽的SNSPD等不断测试，最终确定了250纳米是该纳米线宽度的最佳尺寸。
科学意义与应用前景
此次突破不仅证明了SNSPD在高磁场环境下的稳定性（可兼容加速器超导磁体），更为美国能源部正在建设的电子-离子对撞机（EIC）提供了关键技术支持。EIC将通过电子与质子/原子核的对撞研究夸克、胶子等亚原子结构，而SNSPD的高灵敏度特性将助力其捕捉对撞产物。
阿贡实验室博士后研究员李相伯：“我们在费米实验室测试的质子能量范围，恰好覆盖EIC未来需探测的离子能谱区间。”阿贡实验室物理学家惠特尼·阿姆斯特朗：“这是该技术的首次跨界应用，验证了其在高能物理领域的重要潜力。”
目前，该研究团队已利用阿贡实验室纳米材料中心的反应离子刻蚀设备（DOE科学办公室用户设施）完成了纳米线的加工。相关成果已提交至《自然·物理学》期刊，预计将于下月正式发表。
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