Сверхпроводящие квантовые интерференционные датчики сквид реферат

Обновлено: 05.07.2024

Одним из наиболее важных приложений эффекта Джозефсона является создание сверхпроводящего квантового интерферометра (СКВИД – от англоязычной аббревиатуры SQUID).

Существует два основных типа СКВИДов: одноконтактные высокочастотные (ВЧ-СКВИДы) и двухконтактные постоянного тока (ПТ-СКВИДы). Оба типа представляют собой сверхпроводящий контур, замкнутый одним или двумя джозефсоновскими переходами. СКВИД может иметь и несколько параллельных ветвей.

В случае одноконтактного СКВИДа, квантование магнитного потока в замкнутом контуре приводит к зависимости разности фаз φ на контакте от потока Ф магнитного поля:

φ=2ħФ/Ф₀ . (3.27)

Таким образом, ток в кольце является периодической функцией магнитного потока в кольце с периодом Ф₀:

Этот эффект лежит в основе создания высокочувствительных измерителей магнитного потока – флуксометров. Наличие внешнего потока Ф_е обуславливает полный поток через кольцо как алгебраическую сумму внешнего и собственного потоков:

где L – индуктивность контура.

Зависимость Ф(Ф_е) аналогична представленной на рис. 3.11, в для квантрона, участки с положительным наклоном соответствуют устойчивым состояниям, а с отрицательным – неустойчивым. При увеличении Ф_е циркулирующий в кольце ток стремится скомпенсировать поток, возрастая до I_C.

При практическом использовании ВЧ-СКВИДа его индуктивно связывают с колебательным контуром, который возбуждают на резонансной частоте (10 7 –10 8 Гц) ВЧ током. Напряжение, возникающее на СКВИДе, служит выходным сигналом. Вольт-амперная характеристика ВЧ-СКВИДа имеет вид ступеней, положение которых периодически зависит от магнитного потока (рис. 3.14, а). Вид ВАХ объединяется нелинейной зависимостью магнитного потока в СКВИДе от Ф_е и соответствующей зависимостью поглощения ВЧ энергии в джозефсоновском переходе от амплитуды колебаний в контуре. Зависимость выходящего напряжения от внешнего потока показана на рис. 3.14, б.

Рис. 3.14. Вольт-амперная (а) и сигнальная (б) характеристики одноконтактного СКВИДа

Недостатком одноконтактого СКВИДа является то, что в нем невозможно создать постоянное напряжение, которое можно было бы использовать в качестве выходящего сигнала. Этого недостатка лишен двухконтактный СКВИД постоянного тока.

Двухконтактный СКВИД постоянного тока в простейшем варианте представляет собой параллельно включенные переходы Джозефсона. На рис. 3.15 показан СКВИД постоянного тока с двумя переходами, соединенными в сверхпроводящем кольце.

Рис. 3.15. СКВИД постоянного тока

Проходящий ток I разветвляется на две составляющие I₁ и I₂:

где φ₁ и φ₂ – разность фаз в джозефсоновских переходах Д₁ и Д₂.

Если система симметричная, то разность фаз одинакова на обоих переходах и

Симметрию может нарушить, например, магнитное поле, приложенное перпендикулярно плоскости сверхпроводящего контура. Квантование магнитного потока в сверхпроводящем контуре приводит к появлению изменения разности фаз туннельных переходов.

В этом случае полный ток будет равен сумме:

Очевидно, что полный ток является функцией магнитного потока. Из выражения (3.34) можно получить соотношение

В случае равенства пороговых токов в ветвях контура (I_C₁=I_C₂) выражение 3.35 можно упростить:

Эта зависимость полного порогового тока СКВИДа от магнитного поля аналогична интерференционной картине двух волн, проходящих через две одинаковые узкие щели. Такое сходство связано с тем, что конденсат сверхпроводящих электронов представляет собой макроскопическую квантовую волну, характеризующуюся определенной фазой. Если фотоны не имеют электрического заряда и разность фаз в оптическом интерферометре не зависит от внешнего электрического или магнитного поля, то куперовские пары имеют заряд 2е, и поэтому электромагнитные потенциалы существенно влияют на фазу волновой функции конденсата в сверхпроводнике. В результате картина “интерференции конденсатов” в джозефсоновских контактах оказывается очень чувствительной к магнитному потоку или к разности электрических потенциалов в режиме нестационарного эффекта Джозефсона.

Предыдущие рассуждения и выкладки нами были сделаны в предположении отсутствия падения напряжения на переходах Джозефсона. Однако в ряде случаев необходимо учитывать падение напряжения на переходах, вызванных током нормальных электронов (ВЧ сигнал, малая емкость и т.д.) и их параметры. Тогда в выражениях (3.30), (3.31) появятся члены, учитывающие разность потенциалов U₁, U₂ и сопротивление перехода R:

Полный поток в контуре определяется с учетом собственного и внешнего потоков:

где I₀=(I₁-I₂)/2 – циркулирующий в кольце ток.

Введем параметр β=2LI₀/Ф₀, характеризующий зависимость критического тока СКВИДа от внешнего потока. Из выражений (3.37)–(3.40) можно получить уравнения:

dφ₁/dt=2eR/ħ(I/2-I₀-I_Csinφ₁), (3.43)

dφ₂/dt=2eR/ħ(I/2+I₀-I_Csinφ₂). (3.44)

Решая эти уравнения можно найти характеристики ПТ СКВИДа. Для симметричного СКВИДа, когда I₀=I₂, максимальный ток, текущий в отсутствии магнитного поля, равен 2I_C. При помещении СКВИДа в магнитное поле, линейно возрастающее со временем, критический ток осциллирует с периодом Ф₀ по величине магнитного потока. На рис. 3.16, а приведена ВАХ симметричного СКВИДа при двух значениях потока Ф₀ и Ф₀+Ф_е/2. Глубина модуляции критического тока зависит от параметра β и показана на рис. 3.16, б. При значении β=1 глубина модуляции составляет 50%.

Рис. 3.16. ВАХ (а) и зависимость критического тока от внешнего потока (б)
для двухконтактного СКВИДа

Если ток смещения много меньше критического тока СКВИДа, последний большую часть периода находится в состоянии с нулевым падением напряжения. При I>2I_C СКВИД работает полностью в резистивном режиме.

Конструкции СКВИДов определяются конструкциями джозефсоновских переходов т.е. могут быть точечными или планарными (рис. 1.16, 3.7).

Наиболее чувствительные магнитные сенсоры используют явление сверхпроводимости и т.н. " эффекты Джозефсона ". Напомним, что при очень низких температурах, ниже т.н. критической температуры (она для каждого материала своя), ряд металлов и сплавов становятся сверхпроводящими. В сверхпроводящем состоянии они не оказывают никакого сопротивления протеканию электрического тока. Сверхпроводимость обусловлена квантовомеханическим взаимодействием между электронами с противоположно направленными "спинами" (собственными вращательными моментами). Благодаря этому взаимодействию при определенных условиях электроны объединяются в устойчивые пары, которые в честь первооткрывателя часто называют "куперовскими парами". Каждая куперовская пара ведет себя как квазичастица с нулевым спином и с электрическим зарядом вдвое больше, чем заряд одного электрона.

Для перехода в другое разрешенное энергетическое состояние им нужна значительная энергия. Поэтому спаренные электроны не могут рассеиваться на атомах, ионах, дефектах кристаллической решетки, из-за чего и пропадает электрическое сопротивление. Если плотность тока остается ниже критической, то в замкнутом контуре из сверхпроводников электрический ток может циркулировать довольно долго при отсутствии всякой сторонней ЭДС.

Известно, что на частицы с целым спином не распространяется принцип Паули. Все они могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, описываются общей волновой функцией, иначе говоря, являются когерентными. Макроскопическая квантовая интерференция волновых функций всех куперовских пар приводит к тому, что суммарный магнитный поток, который пронизывает контур, (он состоит из магнитного потока, обусловленного электрическим током в контуре, и потока, обусловленного внешним магнитным полем) может принимать лишь дискретные значения, кратные величине

$\Phi_0=h/(2e)=2,07\;10^<-15>\text< Вб>$

( 12.2)

где – известная постоянная Планка, – электрический заряд электрона. Эту величину называют квантом магнитного потока.

Очень чувствительный к изменениям магнитного поля элемент, так называемый " квантовый интерферометр " или " сквид " (от англ. названия "Super- conducting Quantum Interference Device", сокращенно SQUID), представляет собой электрический контур из сверхпроводников, разделенных одним или двумя переходами Джозефсона (ПД) [ [ 111 ] , [ 211 ] , [ 234 ] , [ 246 ] и Интернет-сайт http://www.superconductors.org/]. В качестве сверхпроводников чаще всего используют ниобий и его соединения. ПД могут быть нескольких типов. Чаще всего это очень тонкий (толщиной около 2 нм) слой окисла между двумя металлическими пленочными сверхпроводниками, – переход типа SIS (сверхпроводник – изолятор – сверхпроводник). Другой тип имеет структуру SNS (сверхпроводник – нормальный металл – сверхпроводник). Слой нормального металла может иметь толщину больше, чем слой изолятора – порядка 10 нм. Третий тип это т.н. "мостик" – узкая перемычка между двумя относительно широкими пленочными сверхпроводниками.

Пары связанных электронов могут проходить сквозь тонкий ПД благодаря туннельному эффекту – явлению, которое объясняет квантовая механика. Джозефсон обнаружил, что, если ток через переход не превышает некоторое критическое значение , то сверхпроводимость не разрушается, и падение напряжения на переходе равно нулю. Вследствие макроскопической интерференции между волновыми функциями куперовских пар с двух сторон ПД устанавливается постоянная разность фаз , которая и определяет величину сверхпроводящего электрического тока через ПД:

$I=I_c\sin\varphi.$

( 12.3)

Если величина электрического тока через ПД превышает критическое значение, то на ПД появляется не нулевое напряжение , которое синусоидально зависит от магнитного потока, пронизывающего сквид .

Если к ПД в сверхпроводящем состоянии приложить постоянное напряжение , то через ПД течет переменный ток с частотой, пропорциональной приложенному напряжению:

$\omega=2eU/\hbar\approx 483,6\text< (МГц/мкВ) >U.$

( 12.4)

12.3.2. Сверхпроводящие магнитометры

Типичная функциональная схема сверхпроводящего магнитометра с использованием сквида показана на рис. 12.6, а. На нём 1 – это условное изображение сверхпроводящего квантового интерферометра ( сквида ).

Рис. 12.6. а) Функциональная схема сверхпроводящего магнитометра: 1 – сквид, 2 – источник постоянного тока, 3 – измерительный узел, 4 – катушка обратной связи, 5 – трансформатор магнитного потока, 6 – входные рамки. б) Зависимость напряжения на сквиде от магнитного потока

Через сквид 1 от источника 2 пропускают постоянную составляющую электрического тока ("транспортный ток"). Поэтому такие магнитометры называют " магнитометрами на сквидах постоянного тока". Когда транспортный ток превышает критическое значение , то на ПД появляется напряжение , которое измеряет узел 3. Зависимость этого напряжения от магнитного потока, пронизывающего сквид , показана на рис. 12.6, б. Из неё видно, что, измеряя напряжение на сквиде 1 с помощью электронного узла 3, можно определять величину магнитного потока с точностью до малых долей магнитного кванта. Регулируя постоянный ток от источника 2, можно подбирать средний уровень напряжения на сквиде , а с помощью катушки подмагничивания 4, можно выбрать наиболее удобное расположение рабочей точки на шкале магнитного потока или пропорциональной ему магнитной индукции.

Используют и вариант работы, когда на катушку 4 от узла 3 подается небольшой модулированный переменный ток. Тогда напряжение на выходе сквида пульсирует с той же частотой, а амплитуда пульсаций зависит от потока магнитной индукции сквозь контур сквида . При фиксированной площади сквида это будет зависимость от проекции вектора магнитной индукции на нормаль к его плоскости.

Магнитная индукция может измеряться и в отдаленном от сквида месте с помощью входной рамки 6 и трансформатора магнитного потока 5, показанных на рис. 12.6, а штриховыми линиями. Изменения магнитного потока, который пронизывает рамку 6, приводят к соответствующему изменению тока через контур 5 и связанного с ней магнитного потока через контур сквида . Если использовать две одинаковые рядом расположенные рамки 6 и включить их в электрическую цепь трансформатора 5 навстречу одна другой, как это показано на рис. 12.6, а, то сигнал на выходе сенсора становится пропорциональным градиенту магнитного поля в месте расположения рамок 6.

$10^<-6></p> <p>Чувствительность магнитометров характеризуют минимальным изменением магнитного потока, которое можно зафиксировать, отнесенным к единичной полосе частот. Чувствительность наилучших сверхпроводящих магнитометров достигает \Phi_0/\sqrt>\approx 2\times 10^ \text< Вб>/\sqrt>$
. Чувствительность по магнитной индукции достигает 10 -13 Тл. И очень важно, что эта чувствительность не зависит от уровня постоянной составляющей магнитного поля, т.е. совсем небольшие изменения можно измерять на фоне сильного постоянного магнитного поля.

Несколько меньшую чувствительность имеют магнитометры на сквидах переменного тока, принцип действия которых показан на рис. 12.7.

Рис. 12.7. Схема магнитометра переменного тока на сквиде: 1 – сквид с одним ПД; 2 – колебательный электромагнитный контур; 3 – генератор переменного тока

$\Phi$

Здесь используют сквид 1 с одним ПД, возле которого размещают колебательный контур 2. Между ними возникает индуктивная связь, показанная на рис. 12.7 штриховой стрелкой. На колебательный контур от генератора 3 подают переменный ток с частотой, близкой к резонансной частоте контура. В этом случае импеданс контура 2 становится очень чувствительным к изменениям внешнего магнитного потока , пронизывающего сквид . Выходным сигналом являются падения переменного напряжения на контуре.

12.3.3. Магнитокардиографический сенсор на сквидах

На базе сверхчувствительных магнитометров создан целый ряд интеллектуальных сенсоров . В "От простых сенсоров - к интеллектуальным" мы упоминали о магнитокардиографах [ [ 19 ] , [ 20 ] , [ 91 ] ] – интеллектуальных сенсорах , позволяющих отслеживать незначительные изменения магнитного поля, связанные с работой сердца, и делать на основе этого важные диагностические медицинские выводы. В качестве примера, опишем коротко магнитокардиографический информационно-вычислительный комплекс "Кардиомаг" [ [ 19 ] , [ 20 ] , [ 91 ] ]. Функциональная схема этого комплекса показана на рис. 12.8. Многоканальный (7 каналов) магнитометр 1 на сквидах воспринимает в четырех точках вертикальную компоненту периодических изменений магнитного поля, обусловленных работой сердца пациента, а также все три пространственные компоненты фонового магнитного поля, усиливает их и передает в электронный блок 2.

Рис. 12.8. Функциональная схема интеллектуального магнитнокардиографического сенсора "Кардиомаг": 1 – многоканальный магнитометр на сквидах; 2 – электронный блок; 3 – криостат с жидким гелием; 4 – криогенный модуль; ПК – персональный компьютер; 5 – электрокардиограф; 6 – программное обеспечение

Детали работы и конструкции магнитометра описаны в [ [ 20 ] , [ 21 ] ]. Блок 2, в состав которого входят микропроцессор и мультиплексор, руководит порядком считывания сигналов от разных сквидов , обрабатывает полученные сигналы и передает данные в виде цифровых кодов персональному компьютеру (ПК). Все сквиды находятся при температуре ниже критической. Необходимая температура поддерживается с помощью криостата 3 с жидким гелием. Одной заправки криостата (11 л жидкого гелия) хватает для непрерывной работы магнитометра в течение пяти суток, т.е. на всю рабочую неделю.

Криостат 3 и многоканальный магнитометр 1 конструктивно объединены в криогенный модуль 4. Пациент спокойно лежит на кровати, которую можно перемещать так, чтобы точно установить сквиды в нужную позицию относительно сердца пациента. С целью получения опорных сигналов электрокардиограф 5 регистрирует стандартную электрокардиограмму. Опорные сигналы ЭКГ поступают в ПК и в электронный блок 2, где используются для определения моментов считывания магнитных сигналов, связанных с работой сердца. Электронный блок 2 автоматически компенсирует внешнее магнитное поле, контролирует уровень жидкого гелия в криостате. Он же вырабатывает стандартные сигналы, с помощью которых можно проверять работу и характеристики каждого из каналов, регулировать их.

Программное обеспечение системы состоит из двух автономных пакетов программ [ [ 91 ] ], работа которых разделена во времени. Первый пакет используют во время проведения измерений, а второй – после обследований всей группы пациентов – с целью дальнейшего детального анализа полученных результатов. Программные модули первого пакета обеспечивают прием информации от электронного блока 2, контроль ее качества и размещение в базе данных, цифровую фильтрацию полученных сигналов, прием и анализ ЭКГ сигналов, формирование и выдачу на экран ПК магнитокардиограмм, синхронизированных с электрокардиограммой. Они поддерживают также обратную связь с блоком 2 с целью автоматической оптимизации условий измерения в зависимости от конкретных обстоятельств и особенностей организма пациента. Они также выполняют усреднение полученных данных по нескольким последовательным сердечным циклам, обеспечивают возможность редактирования полученных данных квалифицированным специалистом, организуют работу с базой данных и т.п.

Второй программный пакет содержит модули анализа пространственно-временных изменений магнитного поля сердца, построение их изображений на экране монитора. Другие модули вычисляют ряд заданных медико-диагностических параметров, которые характеризуют динамику работы участков сердца, нарушение сердечных ритмов и т.п. В этот пакет программ входят также модули, которые численно решают так называемую "обратную задачу" теории поля: "исходя из пространственного распределения магнитного поля, найти распределение его источников". По этим данным строятся и выводятся на экран монитора изображения источников магнитного поля (электрических токов) в соответствующем сечении сердечной мышцы в разных фазах сердечного цикла, определяется локализация в сердце аритмогенных зон и т.д.

Интеллектуальный магнитокардиографический сенсор "Кардиомаг" уже много лет успешно работает в Национальном научном центре "Институт кардиологии им. академика М.Д. Стражеско" АМН Украины, что позволило создать и отработать ряд важных медицинских методик обследования пациентов и высококачественной диагностики заболеваний сердца [ [ 19 ] ]. С его применением обследованы тысячи пациентов, уточнены их диагнозы, оптимизированы методики лечения.

По аналогичному принципу построены также магнитоэнцефалографические сенсоры, которые позволяют регистрировать слабые переменные магнитные поля, связанные с работой мозга человека, обнаруживать имеющиеся там нарушения активности и сверхактивные зоны, локализовать места нарушений [ [ 135 ] ].

Перспективы магнитокардиографов и магнитоэнцефалографов на сквидах в последнее время значительно возросли благодаря появлению высокотемпера-турных сверхпроводников [ [ 149 ] ]. Для работы таких сенсоров уже не нужен жидкий гелий, применяют значительно более дешевый жидкий азот.

12.3.4. Сканирующий микроскоп на сквидах

Другим примером интеллектуальных сенсоров на сквидах является сканирующий сквид-микроскоп . Его общая функциональная схема показана на рис. 12.9 слева.

Рис. 12.9. Слева – функциональная схема сканирующего сквид-микроскопа: 1 – исследуемый образец; 2 – координатный стол; 3 – управление столом; 4 – чувствительные элементы на сквидах; 5 – хладопровод; 6 – жидкий азот; 7 – криостат; 8 – электронный блок; справа – сквид-микроскоп ССМ-77

Исследуемый образец 1 устанавливают на прецизионный координатный стол 2, работой которого управляет узел 3. Рядом с образцом, на минимальном расстоянии от него, находятся микроминиатюрные магниточувствительные элементы 4 на сквидах . Чтобы поддерживать температуру ниже критической, они установлены на хладопроводе 5, конец которого погружен в жидкий азот 6, залитый в криостат 7. Сигналы от магниточувствительных элементов подаются в электронный блок 8, где усиливаются, фильтруются, обрабатываются и в виде цифровых кодов передаются в ПК. По команде оператора компьютер организует перемещения координатного стола, на котором установлен образец, вдоль координат Х и Y и измерение в каждом положении, т.е. в каждой точке поверхности образца, проекций вектора индукции магнитного поля и/или его градиента.

По сравнению с традиционными методами магнитной, ультразвуковой и радиографической дефектоскопии сквид-микроскопия, благодаря сверхвысокой чувствительности, позволяет обнаруживать скрытые, значительно меньшие по размерам, глубоко погруженные в материал дефекты, даже под защитным слоем. Она позволяет также обнаруживать очень слабые коррозионные и вихревые электрические токи, протекающие в образце, снимать карты токов, которые текут в многослойных электронных платах и в микросхемах. С ее помощью тестируют самые ответственные детали турбин, ракет, самолетов, осуществляют магнитные исследования геологических, минералогических, археологических образцов и проверяют, например, подлинность купюр или важнейших документов, на которые специальными магнитными чернилами нанесены скрытые знаки, и т.п. На таком микроскопе можно проводить не только пассивные, но и активные исследования, когда в исследуемом образце гальваническими, индукционными или другими методами специально возбуждают электрические или магнитные поля и изучают реакции объекта на них.

1. История открытия явления сверхпроводимости.
2. Теоретические основы сверхпроводимости.
3. Джозефсоновский переход.
4. Появление сверхчувствительных приемников.
5. СКВИД датчик.
6. Сверхчувствительные магнитометры.
7. Сканирование слабонамагниченных объектов.
8. Радиоэлементы на основе сверхпроводящих пленок.
9. Запоминающие устройства.
10. Завоевание рынка сверхпроводящими устройствами.

Чуть более 10 лет назад в средствах массовой информации стали упоминаться такие понятия как "сверхпроводимость", " высокотемпературная сверхпроводимость", "низко - температурная сверхпроводимость" термины, которые ранее обычно употребляли только специалисты - физики. Сообщалось о революционном научном открытии, о прорыве в микроэлектронике и наступлении новой эры в техническом развитии общества.

Почему было уделено тогда, и тем более сегодня, такое внимание явлению, известному ученым и специалистам уже десятки лет, но с которым большинство людей сталкивались разве что в произведениях писателей-фантастов? В чем суть этого явления и какие оно сулит перспективы? Чтобы ответить на эти вопросы, обратимся к истории открытия сверхпроводимости и поясним основные понятия, связанные с ним.

В 1911г. голландский физик Х. Камерлинг-Оннес, исследуя электрическое сопротивление ртути при очень низких температурах, неожиданно для себя обнаружил, что при температуре , равной 4,15 К (это приблизительно - 269 0 С), сопротивление образца вдруг резко упало до нуля, в то время как такие прекрасные проводники, как золото и медь при тех же температурах имели весьма малое, но вполне измеримое остаточное сопротивление(10 -9 Ом*см). Это явление Камерлинг-Оннес назвал "сверхпроводимость", а температуру Т_с, при которой происходит переход из нормального в сверхпроводящее состояние, - "критической" или "температурой перехода".

Некоторое время спустя обнаружили, что подобный же эффект наблюдается и в других металлах, например, алюминии, свинце, индии. Из чистых металлов самую высокую Тс имеет ниобий: Т_с(Nb)~10 К.

В конце 1986 г. мир облетела сенсационная весть: ученые Ж. Бендорц и К. Мюллер, работающие в Цюрихе в исследовательской лаборатории известной компьютерной фирмы IBM, сообщили о зафиксированном ими резком падении сопротивления керамического металлооксидного образца Ba-La-Cu-O при температуре 35К! А вскоре поступило подтверждение других исследователей, в том числе российских, о наблюдении этого явления.

В первых числах марта 1987 г. стало известно о новом замечательном открытии: в Алабамском и Хьюстонском университетах группой М. К. Ву с сотрудниками на керамике Y-Ba-Cu-O (так называемой иттриевой керамике)была достигнута температура сверхпроводящего перехода Тс~92 К, что гораздо выше температуры кипения жидкого азота (77 К, или -196 0 С), дешевого и доступного хладагента, производимого промышленностью в больших количествах.

На сегодняшний день уже имеются материалы, в которых температура перехода в сверхпроводящее состояние достигает 135 К, и нет оснований полагать, что это уже предел.

Интерес к сверхпроводимости принял массовый характер. В терминологии физиков появились два понятия: "низкотемпературная сверхпроводимость" (НТСП) и "высокотемпературная сверхпроводимость" (ВТСП). Авторам открытия ВТСП Ж. Бендорцу и К. Мюллеру была присуждена Нобелевская премия.

В течении многих лет считали, что сверхпроводящее состояние, в первую очередь, характеризуется бесконечной проводимостью. В 1933 г. немецкими физиками Мейснером и Оксенфельдом было открыто второе фундаментальное свойство сверхпроводников - идеальный диамагнетизм. Эффект Мейснера (рис. 2)состоит в том, что при охлаждении массивного сверхпроводника ниже температуры перехода происходит выталкивание магнитного поля из толщи сверхпроводника образца в окружающее магнитное поле, так что внутри образца (за исключением тонкого поверхностного слоя толщиной 100. 1000 ангстрем) оно всегда равно нулю. Именно эти два свойства - бесконечная проводимость и идеальный диамагнетизм - являются главными характеристиками сверхпроводимости.

Исследования открыли ещё один важный эффект. Если увеличивать напряженность магнитного поля, то при некоторой величине его Н=Н_с, называемой "критическое магнитное поле", сверхпроводимость скачком исчезает и образец переходит в "нормальное" состояние. То же самое происходит при увеличении тока, пропускаемого через сверхпроводник. Сверхпроводимость разрушается при достижении током критической величины I=I_c.

Позднее было обнаружено, что в зависимости от вида взаимодействия с магнитным полем сверхпроводники делятся на два типа: сверхпроводники 1-го рода - как правило, чистые металлы и сверхпроводники 2-го рода, к которым относится большинство сплавов, чистый ниобий и вновь открытые высокотемпературные металлооксидные сверхпроводники.

Сверхпроводники 1-го рода, характерная особенность которых состоит в том, что они полностью выталкивают магнитный поток из своего объема, все имеют критические магнитные поля ниже 100 мТл, при этом они скачком переходят из сверхпроводящего состояния в нормальное.

У сверхпроводников же 2-го рода, существование которых впервые было предсказано в 1952 г. одним из основоположников теории сверхпроводимости российским ученым А. А. Абрикосовым, при величине внешнего поля Н=Н_с1 (первое критическое поле) реализуется смешанное состояние (рис. 3), в котором сверхпроводник как бы пронизан тонкими нитями или цилиндриками (диаметром порядка 10 см), состоящими из нормальной фазы металла и ориентированными по полю Н. Через каждую такую нить ("абрикосовский вихрь") в металл проникает ровно один квант потока магнитного поля Фс.

Таким образом, внешнее магнитное поле присутствует в образце, хотя в пространстве между вихрями сверхпроводимость сохраняется и, следовательно, сопротивление образца остается равным нулю. С увеличением Н число вихрей растет, а расстояние между ними уменьшается, т.е. внешнее поле как бы сжимает решетку вихрей до тех пор, пока они не сольются и не произойдет полное разрушение сверхпроводимости при Н=Н_с2 (второе критическое поле). Величина Н_с2 составляет десятки Тл. Только после открытия сверхпроводников 2-го рода, преодолев огромные трудности, инженеры и технологи создали мощные магниты, которые позволяют получить постоянные поля напряженностью до 20 Тл.

Важными свойствами сверхпроводимости являются квантование магнитного потока, а так же то, что сверхпроводимость наступает, когда электроны объединяются попарно.

Остановимся еще на одном удивительном эффекте, который послужил основой для применения сверхпроводников в системах связи, в электронике, информатике, приборостроение. В 1962 г. Брайан Джозефсон, тогда еще студент-дипломник Кембриджского университета, буквально "на кончике пера" предсказал замечательное явление в сверхпроводниках. Опираясь на чисто теоретический анализ, он пришёл к выводу, что сверхпроводящий ток, определяемый парами электронов, может протекать, или "туннелизировать" через пленку изолятора, разделяющую два сверхпроводника, если толща её незначительна. Он предсказал два явления, которые вскоре были подтверждены экспериментально и называются теперь "эффектами Джозефсона", а область контакта двух сверхпроводников называют "джозефсоновским переходом". С течением времени устройства на основе джозефсонофских переходов нашли широчайшее применение в сверхпроводниковой электронике, а сам Б. Джозефсон был удостоен Нобелевской премии.

Обнаружение высокочастотного излучения радиоволн при нестационарном эффекте Джозефсона открыло широкие возможности его использования в радиоэлектронике. Но на практике реализовать такие устройства оказалось сложно, так как сверхвысокочастотное излучение трудно вывести наружу из перехода, находящегося в жидком гелии, да и мощность излучения для этого слишком мала - триллионные доли ватта. Однако в настоящее время джозефсоновские переходы успешно используют в качестве самых чувствительных приемников электромагнитного излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. С помощью таких приемников, установленных на радиотелескопах, исследуется удаленные источники радиоизлучения Вселенной. Они нашли применение, в частности, на радиотелескопах в России и позволили на порядок повысить чувствительность приемных систем.

Уже созданы приемные устройства различного назначения. Так, радиоприемники для радиоастрономических и экологических наблюдений прямого детектирования используются для регистрации широкополосного излучения, их чувствительность достигает одной сотой К. Они предназначены в основном для поиска и регистрации объектов слабого радиоизлучения, таких, например, как газопылевые облака, связанные с процессом формирования звёзд и планетных систем.

Когерентные радиоприемники, в состав которых входят гетеродинные смесители и параметрические предусилители, служат в радиоастрономии для приема узкополосного излучения и предназначены, например, для определения молекулярных линий. Наиболее широкое распространение получили гетеродинные приёмники со смесителями на основе туннельных переходов СИС ( сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник).

Сверхмалошумящие СИС - смесители, работающие при температуре жидкого гелия, являются наилучшими входными устройствами в диапазоне 100. 1000 ГГц. Их шумовая температура ограничивается только фундаментальным квантовым пределом.

В настоящее время такие приёмники работают на радиотелескопах миллиметрового диапазона по меньшей мере в шести обсерваториях мира и служат для получения ценных астрономических данных.

Тонкоплёночные туннельные СИС - переходы совместимы с другими сверхпроводниковыми компонентами приёмника, изготавливаемыми с помощью литографии. В Институте радиотехники и электроники РАН (ИРЭ) создан и проходит испытания полностью сверхпроводниковый интегральный приёмник субмиллиметровых волн(400. 500 ГГц). В этом приёмнике совместно работают согласующие устройства, СИС - смеситель, генератор гетеродина на джозефсоновских переходах и другие сверхпроводящие элементы. Совместно с Институтом космических исследований Голландии в ИРЭ ведутся работы по конструированию матрицы таких приёмников размерами 3х3 элемента, которую предполагается установить на европейском космическом радиотелескопе, планируемом к запуску в 2005 году.

Одно из наиболее важных и широко применяемых сверхпроводниковых устройств - сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД), в основе работы которого лежат два физических явления: стационарный эффект Джозефсона и эффект квантования магнитного потока.

СКВИД, состоящий из двух переходов, включённых параллельно и работающих при постоянном токе смещения (см. рис. 4, б), называется СКВИД постоянного тока (ПТ СКВИД).В настоящее время в электронике получили наибольшее распространение ПТ СКВИДы, изготовленные по тонкоплёночной технологии.

Схема СКВИДа представляет собой замкнутый контур из сверхпроводника с четырьмя выводами, служащими для подачи тока и снятия напряжения, в который включены, два джозефсоновских перехода.

Характерная особенность СКВИДа состоит в том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, напряжение на выходе этого устройства периодически изменяется, причем период равен кванту Ф0 магнитного потока. Эта зависимость позволяет создать на основе СКВИДов чувствительнейшие измерители вариаций магнитного поля. С их помощью можно измерять практически любые физические величины, преобразуемые в магнитный поток, такие как напряженность магнитного поля, градиент напряженности, электрический ток и напряжение, магнитная восприимчивость и смещение. Этим и объясняется, что активные сверхпроводящие элементы, джозефсоновские переходы и СКВИДы, создаваемые на базе НТСП и ВТСП, всё ускоряющимися темпами внедряются в современную радиоэлектронику.

На основе низкотемпературных (гелиевых) СКВИДов созданы чувствительнейшие вольтметры и усилители, шумы которых приближаются к квантовому пределу. Сверхчувствительные магнитометры, измеряющие вариации магнитных полей с разрешением до 10 Т_л - это уже промышленная продукция, находящая широкое применение в измерительной технике. Например, они позволяют производить измерения очень малой магнитной восприимчивости незначительных количеств вещества. С помощью устройств на СКВИДах удалось измерить предельно малую восприимчивость белков. Эти приборы использовались для измерения магнитного момента образцов лунного грунта.

Другая важная область применения СКВИДов - геофизика. Здесь они используются при изучении магнитных свойств горных пород. Они весьма перспективны при разведке нефтяных источников и изучении сейсмической активности.

Остановимся немного подробнее на двух, имеющих общие черты областях применения СКВИД - магнитометров. Это бесконтактное диагностирования человека и неживых объектов. СКВИД, как внешний зонд, может быть расположен вблизи исследуемого объекта, никоим образом не воздействуя на него и не нарушая его целостности. Для измерения магнитных полей человека или при биомагнитных исследованиях уже создаются многоканальные системы на основе охлаждаемых гелием СКВИДов. Они применяются во многих клиниках мира для наблюдения и анализа магнитных полей, обусловленных сердечной деятельностью (магнитокардиограмма - МКГ), деятельностью мышц (магнитомиограмма - ММГ), мозговой деятельностью (магнитоэнцефалограмма - МЭГ). Размещая СКВИД - датчики вблизи брюшной полости роженицы, возможно следить за сердцебиением плода.

Для исследования деятельности мозга человека в Финляндии разработаны "шлемы", содержащие свыше 120 СКВИД - датчиков. В Японии прошла испытания 256-канальная система. И это - на низкотемпературных, охлаждаемых жидким гелием СКВИДах! При создании таких систем, кроме стандартных требований к этим приборам - низкого шума, высокой скорости слежения, долго временной стабильности и т.п., - одновременно решаются проблемы миниатюризации цепей и охлаждающих устройств, создание малоразмерной и дешёвой электроники, уменьшение взаимного влияния каналов и многое другое

Открытие высокотемпературных сверхпроводников и прогресс технологии создания малошумящих СКВИДов, приближающихся по своим характеристикам к низкотемпературным, но работающих при азотном охлаждении, во многом упростили проблему их внедрения в аппаратуру теле коммутационных комплексов. Весьма важно то, что теперь произошло перекрытие диапазонов рабочих температур сверхпроводниковых устройств. В результате возникла возможность разработки гибридных устройств, открывающая принципиально новые перспективы в системах связи. Уже в приёмниках станций сотовой и персональной связи, работающих на частотах от 800 МГц до 2 ГГц, пользуются супер - узкополосные сверхпроводящие фильтры из высокотемпературных сверхпроводящих плёнок . Разработаны и проходят испытания резонаторы, мультиплексоры, линии задержки и прочие пассивные элементы радиоэлектроники. Их достоинствами, по сравнению с элементами из не сверхпроводящих материалов, являются более низкие потери, узкополосность, компактность и температурная стабильность. Например, сверхпроводящие резонаторы позволяют получать значения добротности 10 11 - это в миллион раз выше, чем в конструкциях с омеднёнными или посеребрёнными стенками.

В последнее время проявляется огромный интерес к развитию техники, способной представить пространственное изображение источников магнитного поля. Основной мотив здесь, конечно, желание понять структуру и динамику магнитных вихрей как в низко-, так и в высокотемпературных сверхпроводниках. Прикладной интерес связан с получением магнитных изображений для биомедицинских приложений и неразрушающего контроля материалов.

Поэтому получила развитие совсем новая область применения СКВИД - магнитометров - сканирующая СКВИД - микроскопия. Только подобный микроскоп даёт не оптическое изображение исследуемого образца, а магнитное, т. е. При перемещении образца относительно СКВИД - датчика регистрируется величина магнитного потока и визуализируются его пространственные вариации над поверхностью образца. Так как СКВИДы - чувствительнейшие датчики магнитного потока, то с их помощью можно исследовать магнитные поля от мизерных объёмов вещества, например, тончайших ферромагнитных и сверхпроводящих плёнок. Источниками поля могут является либо микроскопические магнитные включения, либо протекающие токи. Используя микроскоп на основе гелиевого СКВИДа, обладающего пространственным размещением менее 10 мкм и чувствительностью к магнитному потоку порядка 10 -6 Ф_о, в исследовательских лабораториях фирмы IBM получены изображения как единичных вихрей магнитного потока, проникающих в плёнку сверхпроводника, так и целых ансамблей.

Примером практического применения азотного СКВИД - микроскопа является сканирование слабонамагниченных объектов, таких, например, как специальные чернила или краски на ценных бумагах.

Огромные перспективы открывают сверхпроводниковые методы в энергетике. В энергосистеме Женевы заработал первый в мире трёхфазный распределительный трансформатор, охлаждаемый жидким азотом, намотки которого выполнены из ВТСП материала. При значительно меньших потерях он более компактный и вдвое легче традиционного трансформатора с медной намоткой. Разрабатываемые ВТСП - токоограничители (приборы, ограничивающие ток короткого замыкания) стали предметом реальной энергетики. Уже эксплуатируется такое устройство на основе ВТСП - технологии на одной из гидростанций. Приборы с электромагнитами, изготовленными из ВТСП провода, работают в ряде учреждений.

Понятен всё возрастающий интерес к сверхпроводниковой технологии и сверхпроводниковым материалам у компьютерной отрасли техники. Более двух десятилетий ведутся работы по созданию сверхпроводниковых запоминающих устройств (ЗУ). Сначала было предложено и изучено простейшее устройство - криотрон, состоящий из танталовой проволоки и ниобиевой катушки. В нём реализуются два состояния сверхпроводящее и резистивное, возможно переключение одного в другое, т. е. криотрон действует как простейший элемент памяти. Он прост по конструкции и отличается малой рассеиваемой мощностью, однако быстродействие его ограничено и составляет 10-3. 10-4с, что явно недостаточно для современных вычислительных машин.

Создание плёночных ЗУ позволило увеличить их быстродействие до 10 -7 с. Но и это оказалось недостаточным для современных ЭВМ. Только используя низкотемпературные джозефсоновские переходы, удалось создать такие элементы памяти, время срабатывания которых достигло порядка 10-10. 10-11с, а энергия, выделяемая при переключении, составила 10-17Дж. Развитие тонкоплёночной сверхпроводниковой технологии позволяет реализовать высокую плотность монтажа до порядка 10-5. 10-6 элементов на плате. Таким образом имеются все предпосылки для создания мощной ЭВМ с производительностью 1010 операций в секунду и рассеиваемой мощностью менее одного ватта. И хотя на пути ещё немало нерешённых проблем, но уже не за горами то время, когда заработает первая супер - ЭВМ на сверхпроводящих элементах, в том числе и на базе ВТСП.

Работы в области сверхпроводимости дали мощный импульс инженерным и технологическим разработкам и вызвали оживление на рынке сверхпроводниковых материалов и устройств. На семинаре в Хьюстоне, в 1977 г., посвящённом высокотемпературной сверхпроводимости, было заявлено, что следующее десятилетие станет декадой завоевания рынка с перспективой миллионных долларовых доходов от продаж сверхпроводящих устройств.

Таким образом, фундаментальные исследования сверхпроводимости привели к развитию новой области техники - прикладной сверхпроводимости, ставшей одним из решающих факторов научно - технического прогресса.

Этот пункт " Сверхпроводящий квантовый интерферометр " только что переведен. Он может содержать неестественные или двусмысленные выражения и может быть труден для чтения в таком виде. (Оригинал: en: SQUID )
Мы ищем того, кто может сотрудничать с исправлениями и дополнениями, чтобы сделать текущее выражение более естественным. См. также страницу заметок и историю . ( сентябрь 2016 г. )

Сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство ( СКВИД ) представляет собой тип высокочувствительного магнитного датчика, используемого для обнаружения чрезвычайно слабых магнитных полей на основе циклического сверхпроводника , содержащего джозефсоновские контакты .

Если вы измеряете СКВИД при усреднении за несколько дней, 5 а Т ( Он достаточно чувствителен для обнаружения даже слабых магнитных полей 5 × 10 -18 Тл [ 1 ] . Уровень шума Она составляет всего 3 fT/ (Гц 1/2 ) [2] . Для сравнения, сила магнитного поля, создаваемого типичным магнитом холодильника , составляет 0,01 Тесла ( Она составляет около 10-2 Тл ), а магнитное поле, создаваемое реакцией, протекающей в организме животного , равно С 10-9 часов _ _ Это примерно 10-6 т . Недавно изобретенный магнитный датчик SERF имеет потенциально более высокую чувствительность и не требует низкотемпературного охлаждения , но на порядок больше по размеру (1 размер). Недостаток его в том, что он может работать только при магнитном поле ~ 1 см 3 ) и почти нулевом [Примечание 1] .

История и дизайн

Существует два типа СКВИДов: постоянного тока (DC) и радиочастотного типа (RF). RF SQUID может управляться одним джозефсоновским переходом ( сверхпроводящим туннельным переходом ) , что делает его более дешевым в производстве, но менее чувствительным.

СКВИД постоянного тока

Слева: график SQUID ток-напряжение. Верхняя кривая соответствует n Φ ₀ , а нижняя кривая соответствует ( n + 1/2) Φ ₀ . Справа: периодическая реакция напряжения на магнитный поток через СКВИД. Период равен магнитному кванту Φ _{0 .}

DC SQUID от Ford Labs после того, как Джозефсон предсказал эффект Джозефсона в 1962 году , а Джон Роуэлл и Филип Андерсон из Bell Labs сделали первое соединение Джозефсона в 1963. [3] [4] . Он имеет два перехода Джозефсона, вставленных лицом к одной сверхпроводниковой петле. Основываясь на эффекте Джозефсона постоянным током, ток I течет одинаково по обеим ветвям в отсутствие какого-либо магнитного поля. Когда небольшое внешнее магнитное поле приложено к петле, экранирующий ток Is начинает циркулировать в петле, чтобы нейтрализовать внешнее магнитное поле _. Поскольку индуцированный ток имеет то же направление, что и I в одном соединении, и противоположное I в другом соединении, полные токи равны I + I _s и I - I _s соответственно. Критический ток на любом переходе Джозефсона При превышении I _c к переходу начинает прикладываться напряжение.

Здесь предполагается, что внешнее магнитное поле превышает половину кванта магнитного потока Φ _0/2 . Поскольку магнитный поток, заключенный в петле сверхпроводника, должен быть целым числом кратным кванту магнитного потока , увеличение его до Φ ₀ энергетически более стабильно, чем блокирование магнитного поля. Поэтому экранирующий ток начинает течь в обратном направлении, и эта инверсия повторяется каждый раз, когда внешнее магнитное поле становится полуцелым от Φ _{0 .} Следовательно, критический ток колеблется в зависимости от приложенного магнитного поля. Если входной ток больше, чем I _{c , СКВИД всегда будет работать в режиме конечного сопротивления.} В этом случае период напряжения Φ0 как _{функция} приложенного магнитного поля . Поскольку вольт-амперная характеристика СКВИД постоянного тока имеет гистерезис, для устранения этого параллельно переходу включается шунтирующее сопротивление R (в случае ВТСП на основе оксида меди внутреннее сопротивление самого перехода обычно достаточно . ). Экранирующий ток — это значение, полученное путем деления приложенного магнитного поля на собственную индуктивность контура. Следовательно , ΔΦ можно оценить следующим образом через функцию ΔV ( преобразователь магнитного поля в напряжение ) [5] [6] .

Δ V = R Δ I 2 I = 2 ∆Φ / L , где I — самоиндукция сверхпроводящего контура Δ V = ( R / L ) ∆Φ

Где i _c — критический ток СКВИДа. Обычно λ порядка 1 [7] .

РФ СКВИД

RF SQUID был изобретен в 1965 году Робертом Яклевичем из Форда, Джоном Дж. Ламбе, Арнольдом Сильвером и Джеймсом Эдвардом Циммерманом [ 6] . На основе эффекта Джозефсона переменного тока требуется только один переход Джозефсона. Он менее чувствителен, чем DC SQUID, но дешевле и относительно прост в производстве в небольших количествах. Самым основным измерением является биомагнетизм , и даже очень слабые сигналы могут быть измерены с помощью RF SQUID [8] [9] . RF SQUID индуктивно связан с контуром резонансного резервуара. В зависимости от приложенного извне магнитного поля эффективная индуктивность колебательного контура изменяется при работе в режиме сопротивления СКВИДа, и, следовательно, изменяется резонансная частота колебательного контура. Эту частоту легко измерить, а потери, проявляющиеся как сопротивление нагрузочному сопротивлению в цепи, являются функцией периода Ф _{0 приложенного магнитного потока.} См. оригинальную статью Эрне и др. Точное математическое объяснение [5] [10] .

используемые материалы

Для СКВИДов в качестве сверхпроводящих материалов традиционно используются чистые сплавы ниобия и свинца , содержащие 10% золота или индия (поскольку чистый свинец уязвим к многократным перепадам температуры) . Для этих материалов все устройство должно работать вблизи абсолютного нуля , чтобы поддерживать сверхпроводимость, и охлаждаться жидким гелием .

В 2006 г. было объявлено о проверке концепции сенсора CNT-SQUID с использованием алюминиевой петли и джозефсоновского перехода из одностенных углеродных нанотрубок [11] . Датчик имеет размер около нескольких сотен нанометров и работает ниже 1K. Может быть достигнута достаточная чувствительность для подсчета спинов [12] .

В последнее время стали появляться высокотемпературные СКВИД-сенсоры. Высокотемпературные сверхпроводники , часто изготавливаемые из YBCO , могут работать с охлаждением жидким азотом , который дешевле и проще в обращении, чем жидкий гелий . Он уступает по чувствительности обычному низкотемпературному СКВИДу , но гарантированно имеет достаточную чувствительность во многих областях применения .

применение

Чрезвычайно высокая чувствительность SQUID идеально подходит для исследований в области биологии. Магнитоэнцефалография (МЭГ), например , использует массив SQUID для оценки активности нейронов в головном мозге. СКВИД может производить измерения намного быстрее, чем самая высокая временная частота (кГц), излучаемая мозгом, поэтому он может создавать МЭГ с хорошим временным разрешением. Еще одним приложением является изображение движения желудка, которое регистрирует слабое магнитное поле в желудке . Еще одним новым приложением является мониторинг магнитных маркеров , который отслеживает движение перорально принимаемых лекарств . В клинической практике визуализация магнитного поля применяется в области кардиологии для обнаружения магнитного поля сердца для диагностики и стратификации риска.

Возможно, наиболее распространенным коммерческим использованием SQUID является прибор для измерения магнитных характеристик (MPMS). Он выпускается как готовый продукт несколькими производителями и может измерять магнитные свойства образца. Обычно он используется в диапазоне температур от 300 мК до примерно 400 К [13] . В связи с миниатюризацией СКВИД-сенсора в последние годы появилась возможность оснастить АСМ -зонд СКВИД-сенсором. Такие устройства позволили одновременно измерять шероховатость поверхности и локальный магнитный поток [14] .

Например, СКВИД используется в качестве магнитного датчика для низкопольной магнитно-резонансной томографии (МРТ с низким полем). В МРТ с сильным магнитным полем применяется ступенчатое магнитное поле в несколько тесла, в то время как в СКВИД-МРТ после приложения поляризованного магнитного поля измерения проводятся в магнитном поле в области микротесла. В обычной системе МРТ сигнал пропорционален квадратному корню из частоты измерения (и, следовательно, магнитного поля прецессии). Это связано с тем, что тепловая спиновая поляризация при температуре окружающей среды пропорциональна первой степени частоты, а напряжение, индуцируемое в приемной катушке, также пропорционально частоте возрастной разности намагниченности. Однако, когда предварительно поляризованный спин обнаруживается неотрегулированным СКВИДом, сила сигнала ЯМР становится независимой от магнитного поля прецессии, и становится возможным обнаружить сигнал МРТ в чрезвычайно слабом магнитном поле, таком как геомагнетизм . СКВИД МРТ имеет преимущества в стоимости и компактности по сравнению с системами МРТ с сильным магнитным полем. Этот принцип был продемонстрирован при визуализации конечностей человеческого тела и в будущем будет применяться для скрининга опухолей [15].

Еще одним приложением является сканирующий СКВИД-микроскоп , в котором в качестве зонда используется СКВИД, погруженный в жидкий гелий . С развитием сверхпроводящих технологий применение SQUID расширяется до разведки нефти ( английская версия ) , разведки полезных ископаемых ( английская версия ) , предсказания землетрясений и геотермальной энергетики . Он также используется в качестве высокоточного датчика движения в различных научных приложениях, таких как обнаружение гравитационных волн . [16] Четыре гироскопа используются в общей теории относительности.Используется который исследует пределы применения , Gravity Probe B [1] .

Усовершенствованный RF SQUID был использован для первого наблюдения динамического эффекта Казимира [17] [18] .

Пример будущего приложения

С военной стороны изучается его применимость к противолодочным патрульным детекторам магнитных аномалий (MAD ) . [ 20 ]

Читайте также: