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Supraleitende Nanodrähte könnten zum Nachweis dunkler Materie verwendet werden
Eine der großen wissenschaftlichen Forschungen unserer Zeit ist die Jagd nach dunkler Materie. Physiker glauben, dass dieses Zeug das Universum ausfüllt, und glauben, dass sie Beweise dafür in der Art und Weise sehen können, wie sich Galaxien drehen. Tatsächlich drehen sich Galaxien so schnell, dass sie auseinanderfliegen sollten, es sei denn, eine verborgene Masse erzeugt genug Gravitationskraft, um sie zusammenzuhalten.
Diese Beweise haben Physiker dazu veranlasst, dunkle Materie auf der Erde zu finden. Sie haben Dutzende von Observatorien gebaut, die meisten davon in unterirdischen Höhlen tief unter der Oberfläche, wo Hintergrundgeräusche gering sind. Auf dem Spiel steht wissenschaftlicher Ruhm und Reichtum, wobei die Gruppe, die dunkle Materie findet, wahrscheinlich reich belohnt wird.
Aber bisher haben die Physiker genau nichts gefunden. Wenn es da draußen ist, ist dunkle Materie sehr gut versteckt. Oder Physiker haben an der falschen Stelle gesucht. Eine Möglichkeit ist, dass Dunkle-Materie-Teilchen zu klein sind, um sie mit aktuellen Experimenten zu sehen. Daher suchen Physiker verzweifelt nach besseren und empfindlicheren Methoden, um diese Dinge zu erkennen.
Da wären Yonit Hochberg von der Hebräischen Universität Jerusalem in Israel und ein paar Kollegen, die einen vielversprechenden neuen Sensor entwickelt haben, der auf winzigen supraleitenden Drähten basiert. Der Prototyp des Teams zeigt bereits das Potenzial dieses Ansatzes.
Das Prinzip hinter dem neuen Gerät ist einfach. Kühlen Sie bestimmte Metalle unter eine kritische Temperatur und sie leiten ohne Widerstand. Aber sobald ihre Temperatur über diese Schwelle steigt, verschwindet das supraleitende Verhalten.
Physiker wissen, dass Teilchen der Dunklen Materie nicht stark mit sichtbarer Materie wechselwirken können; sonst hätten sie sie schon gesehen. Aber Teilchen der Dunklen Materie können frontal mit gewöhnlichen Teilchen kollidieren.
Diese Kollisionen sind selten, da gewöhnliche Materie größtenteils aus leerem Raum besteht, sodass Partikel der Dunklen Materie direkt durchdringen können. Wenn sie aber zum Beispiel mit einem Atomkern oder einem Elektron in einem Gitter kollidieren, bringt die Kollision das Gitter zum Schwingen und erhöht dadurch seine Temperatur.
Diesen Temperaturanstieg können supraleitende Nanodrähte gut aufdecken. Durch die Erwärmung stoppt ein kleiner Teil des Drahtes die Supraleitung, was wiederum einen leicht messbaren Spannungsimpuls erzeugt. Darüber hinaus erzeugt ein solches Gerät, wenn überhaupt, nur wenige Fehlalarme.
Hochberg und Co. haben ihre Idee mit dem Bau eines Prototypen auf Herz und Nieren geprüft. Dieses Gerät besteht aus einer Reihe von Wolframsilizid-Nanodrähten, die nur 140 Nanometer breit (ein menschliches Haar ist etwa 100.000 Nanometer breit) und 400 Mikrometer lang sind. Die gesamte Apparatur liegt nur wenige Milligrad über dem absoluten Nullpunkt, sodass die Wolframsiliziddrähte zu Supraleitern werden.
Das Team suchte dann nach Spannungsimpulsen, die eine Kollision mit dunkler Materie aufzeigen könnten. Bei entsprechender Abschirmung fanden sie während der 10.000 Sekunden Dauer ihrer Messungen keine Impulse.
Das bringt wichtige Einschränkungen für die Art der Dunklen Materie, die vorhanden sein könnte, und ihre Dichte mit sich. Es legt auch Einschränkungen für andere Arten von Teilchen fest, von denen Physiker spekulieren, dass sie existieren könnten.
Eines davon ist das dunkle Photon – im Wesentlichen das Äquivalent der dunklen Materie zum gewöhnlichen Photon. Wenn sie vorhanden sind, hat der neue Sensor keinen einzigen erkannt. Die Ergebnisse dieses Geräts setzen bereits sinnvolle Grenzen für Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie und Elektronen, einschließlich der bisher stärksten terrestrischen Grenzen für die Sub-eV-Dunkelphotonenabsorption, sagen Hochberg und Co.
Das ist eine beeindruckende Arbeit, wenn man bedenkt, dass die Masse der Nanodrähte nur wenige Nanogramm beträgt. Die nächste Stufe besteht darin, sie in größerem Maßstab herzustellen. Hochberg und Co sagen, dass die Technologie relativ ausgereift ist, sodass dies in kurzer Zeit möglich sein sollte. Tatsächlich schätzen sie, dass ein akademisches Labor in nur einem Jahr tausend 200-Nanometer-Detektoren mit einer Gesamtmasse von 1,3 Gramm produzieren könnte. Eine industrielle Anstrengung könnte ein Vielfaches dieser Zahl realisieren, betonen sie.
Ein Detektor im Kilogramm-Maßstab könnte also in nicht allzu ferner Zukunft machbar sein. Eine solche Maschine würde bei der Suche nach dunkler Materie mit denen konkurrieren, die bereits in Betrieb sind, aber sie würde verschiedene Energien auf andere Weise betrachten.
Es könnte also sein, dass supraleitende Nanodrähte eines Tages Dunkle Materie entdecken – falls es sie überhaupt gibt.
Ref: arxiv.org/abs/1903.05101 : Nachweis von Dunkler Materie mit supraleitenden Nanodrähten