Чт. Апр 18th, 2024

Чувствительный элемент сквида представляет собой кольцо из сверхпроводящего материала, содержащее один либо два джозефсоновских контакта. Возможность регистрации магнитных полей схожим устройством базирована на том факте, что ток, текущий в кольце, находится в зависимости от магнитного потока через этот замкнутый контур. 1-ые сверхпроводящие магнитометры были сделаны уже через пару лет после открытия эффекта Джозефсона, в текущее время предельная чувствительность сквидов превосходит 10-14 Тл/Гц1/2.

В магнитном микроскопе эталон сканируется близко размещенным сквидом, в то время как компьютер регистрирует сигнал со сквида зависимо от его положения по отношению к эталону.

Рис. 6.8 Механизм работы СКВИДа

Различают два типа сквидов — СКВИД на неизменном токе (двухконтактный СКВИД) и частотный СКВИД (одноконтактный СКВИД). СКВИД на неизменном токе был придуман в 1964 году физиками Robert Jaklevic, John J. Lambe, James Mercereau, и Arnold Silver . Они же совместно с Джеймсом Эдвардом Циммерманом изобрели СКВИД на переменном токе.

СКВИД на неизменном токе. Простой квантовый магнитометр — СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо с 2-мя джозефсоновскими туннельными контактами. Это в определенном смысле аналог оптического эффекта с интерференцией от 2-ух щелей, только тут интерферируют не световые волны, а два джозефсоновских тока. Значимым для осознания работы СКВИДа является наличие волновых параметров у электрона. В СКВИДе волна электронов делится на две, любая из которых проходит собственный туннельный контакт, а потом обе сводятся совместно. В случае отсутствия наружного поля обе ветки будут эквивалентны и обе волны придут без разности фаз. Но при наличии магнитного поля будет наводиться в контуре циркулирующий сверхпроводящий ток. Этот ток, в одном из контактов будет вычитаться из неизменного наружного тока, а во 2-м — складываться. Сейчас две ветки будут иметь различные токи, меж туннельными контактами возникнет разность фаз. Волны электронов, пройдя через контакты и соединившись, будут интерферировать, интерференция проявится как зависимость критичного тока СКВИДА от приложенного наружного магнитного поля. Ступенчатый нрав зависимости позволяет ощущать отдельные кванты потока. Ступенчатый вид зависимости появляется из-за наличия условия конфигурации фазы электрической волны на джозефсоновском контакте на 2πn, где n — целое число.

Более стабильно сверхпроводящее состояние кольца по отношению к наружному току будет в случаях, когда полный магнитный поток через интерферометр будет равен целому числу квантов потока. Напротив, случай, когда полный поток равен полуцелому числу квантов потока, соответствует неуравновешенному сверхпроводящему состоянию: довольно приложить к интерферометру жалкий ток, чтоб он перебежал в резистивное состояние и чтоб вольтметр нашел напряжение на интерферометре.

СКВИД на переменном токе. Работа СКВИДа на переменном токе базирована на нестационарном эффекте Джозефсона и употребляет только один джозефсоновский контакт. Он наименее чувствителен по сопоставлению со СКВИДом на неизменном токе, но дешевле и проще в производстве в малых количествах. Значимая часть базовых измерений сверхмалых сигналов, были выполнены с внедрением СКВИДов на переменном токе.

Основное внедрение СКВИДа — это измерение слабеньких магнитных полей. На это свойство СКВИДа опирается весь диапазон его применений:

  • магнитоэнцефалография;
  • магнитогастрография;
  • магнитный маркерный мониторинг;
  • исследование сердца в медицине;
  • ядерный магнитный резонанс в технике, в геологофизической разведке.

Также есть суждения в части внедрения СКВИДов в квантовом компьютере в качестве кубитов, которые создаются наноамперными токами либо магнитными наноразмерными частичками.

1-ые варианты магнитных микроскопов использовали сквиды на базе обычных, низкотемпературных, сверхпроводников. Они работали при температуре водянистого гелия и предназначались для исследования образцов, также находящихся при низкой температуре. Необходимость поддерживать сквид при гелиевой температуре сдерживала обширное применение сквид-микроскопов. Юзеры таких микроскопов испытывали значимые трудности с совмещением и позиционированием сквида относительно эталона, также при загрузке и перезагрузке образцов. Подмена низкотемпературного сквида на сквид на базе высокотемпературных сверхпроводников, сделала вероятной работу устройства при азотных температурах, существенно расширила круг исследовательских работ и стимулировала коммерческое внедрения сквидов.

Очередной шаг к коммерческому применению сквид-микроскопов был изготовлен, когда появились варианты этих устройств, в каких эталон может находиться при комнатной температуре. В их вакуумный объем с охлажденным сквидом отделяется от эталона узким окном из немагнитного материала, к примеру, сапфира; достижимое пространственное разрешение — около 10 мкм.

Более совершенным устройством подобного рода на базе высокотемпературного сквида является южноамериканский магнитный микроскоп CryoTiger. Сквид неизменного тока сделан из YBaCuO, его площадь — 1.2 х 10-9 м2, полевая чувствительность — 17.5 пТл/Гц1/2. Сканирующая система позволяет перемещать сквид относительно исследуемого эталона со скоростью 0.5 — 1 мм/с на площади сканирования 5 х 5 мм2. Плюсами микроскопа являются малые размеры, успешная конструкция и большой срок службы (500 тыщ часов).

Данный микроскоп отлично показал себя при исследовании вихревых токов в железных слоях, закороток меж контактными выводами в сборке интегральной схемы в корпусе, однородности намагниченности пленок магнитных материалов и т.д. На данный момент компания Neocera Inc. выпускает на рынок его коммерческую версию. Стоит отметить, что и в Рф разработана собственная версия сквид-микроскопа.

От content

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *