Сибирские физики создали разработку для улучшения работы коллайдеров

Ученые Института физики полупроводников им А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) в коллаборации с коллегами из других организаций создали новый стабильный источник спин-поляризованных электронов. Он превосходит традиционно используемые аналоги по совокупности параметров — времени жизни, квантовой эффективности и спиновой поляризации электронов. Источник — мультищелочной фотокатод — представляет собой тонкий полупроводниковый слой, который «производит» электроны с одинаковым спином (поляризованные) в ответ на облучение лазером.

Степень поляризации мультищелочного фотокатода — количество «вырабатываемых» спин-поляризованных электронов — составляет 50%. Исследователи рассчитывают повысить ее до ста процентов, модифицируя полупроводниковое соединение. Эксперты отмечают, что в случае достижения 60% степени поляризации, источник будет востребован на строящемся в Сарове коллайдере «Супер чарм-тау фабрика». Поляризация 50% означает, что у 75% электронов спин одинаков.

У электрона есть определяющие его характеристики: масса, заряд и спин. Компьютеры, телефоны, прочие гаджеты работают благодаря  тому, что люди научились управлять движением электрона с помощью электрического поля, влияющего на заряд. Предполагается, что управление спином позволит создать спинтронные устройства  ―  более быстрые и энергоэффективные.

Однако «производство» спинового тока, то есть спин-поляризованных электронов ― непростая задача. А надежный источник (как и детектор) этих частиц нужен и для прикладных применений, и для фундаментальных исследований — при проведении экспериментов на ускорителях заряженных частиц — коллайдерах. Например, в России, в Сарове, на создаваемом электрон-позитроном коллайдере «Супер чарм-тау фабрике» или аналогичном — в Китае. Также поляризованные электроны востребованы и в самых крупных международных проектах — линейном коллайдере в Японии ILC (International Linear Collider) с широким международным участием, китайском двухкольцевом коллайдере CEPC (The Circular Electron Positron Collider).

Наше открытие в том, что мы установили: полупроводниковое соединение щелочных металлов и сурьмы — мультищелочной фотокатод — хороший источник спин-поляризованных электронов. Степень поляризации электронов у него может быть выше, чем у сложных гетероструктур на основе арсенида галлия (GaAs), которые обычно используются для таких целей. К тому же, у нашего источника дольше время жизни и больше квантовый выход — сотношение испущенных электронов к падающим фотонам, которые инициировали фототок.  Мультищелочные фотокатоды изучались с 1930-х годов: они используются в фотоэлектронных умножителях, приборах ночного видения, а также в качестве источников электронов в ускорителях. Но никто не выяснял их потенциал как источника именно спин-поляризованных электронов, ― объяснил заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН, профессор НГУ, профессор РАН, доктор физико-математических наук Олег Терещенко, руководивший работой по созданию источника.

По словам главного научного сотрудника Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН доктора физико-математических наук Ивана Александровича Коопа, до сих пор в экспериментах на циклических и линейных ускорителях применялись только арсенид-галлиевые источники:

Мультищелочные катоды обещают быть менее требовательными к вакуумным условиям, к присутствию в остаточном газе нежелательных примесей. Если говорить о потенциальном использовании нового источника на «Супер чарм-тау фабрике», нас вдохновляет большая величина квантового выхода мультищелочного фотокатода — аж до 15%. Это примерно на порядок выше, чем у гетероструктур на основе арсенида галлия. Но степень поляризации потребуется более 60%. Этот параметр более важен, чем квантовый выход — последний можно повысить, увеличивая мощность лазера или площадь фотокатода, а вот низкую степень поляризации ничем не восполнишь.

Как отметил Олег Терещенко, повысить степень поляризации источника на основе мультищелочного фотокатода можно до 100% — на это указывают недавние эксперименты.

Мы будем дальше работать с полупроводниковой структурой, контролируемо менять ее свойства во время роста в вакуумной камере. Мы планируем сформировать полупроводниковую сверхрешетку, что в перспективе увеличит поляризацию до 100 %. Степень поляризации электронов будет измеряться в ростовой камере независимым спин-детектором Мотта, — добавляет ученый.

Большая величина квантового выхода источника может пригодиться и для получения поляризованных позитронов, которые нужны при детальном изучении процессов, происходящих при столкновении элементарных частиц.

В Национальной лаборатории Джефферсона (JLAB) уже провели тестовые эксперименты с электронами, ускоренными до энергии 8 МэВ, которые «бросали» на вольфрамовую мишень, и убедились в почти 100% эффективности передачи поляризации от электронов к позитронам.   Однако коэффициент такой конверсии электронов в позитроны очень мал (не более 0,01%), поэтому важно иметь интенсивный источник поляризованных электронов. В этом случае у мультищелочного фотокатода, наверное, нет конкурентов, — пояснил Иван Кооп.