SQUID

Чувствительный элемент SQUID

A SQUID (для сверхпроводящего квантового интерференционного устройства ) очень чувствительный магнитометр, используемый для измерения очень тонких магнитных полей на основе сверхпроводящих петель, содержащих джозефсоновские переходы.

Сквиды достаточно чувствительны для измерения поля всего 5 a T (5 × 10 Тл) с усредненными измерениями за несколько дней. Их уровень шума составляет всего 3 f T·Hz. Для сравнения, типичный магнит холодильника производит 0,01 тесла (10 Тл), а некоторые процессы у животных создают очень слабые магнитные поля от 10 Тл до 10 Тл. атомные магнитометры SERF, изобретенные в ранние 2000-е потенциально более чувствительны и не требуют криогенного охлаждения, но на несколько порядков больше по размеру (~ 1 см) и должны работать в почти нулевом магнитном поле.

Содержание

• 1 История и конструкция
  • 1.1 DC SQUID
  • 1.2 RF SQUID
  • 1.3 Используемые материалы
• 2 Использование
  • 2.1 Датчики переходного края
  • 2.2 Холодная темная материя
  • 2.3 Предлагаемое использование
• 3 См. Также
• 4 Примечания
• 5 Ссылки

История и конструкция

Существует два основных типа SQUID: постоянного тока ( DC) и радиочастота (RF). ВЧ СКВИДы могут работать только с одним джозефсоновским переходом (сверхпроводящий туннельный переход ), что может удешевить их производство, но они менее чувствительны.

СКВИД постоянного тока

Схема СКВИДа постоянного тока. Ток $I\; \{\backslash \; displaystyle\; I\}$входит и разделяется на два пути, каждый из которых имеет токи $I\; a\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{a\}\}$и $Я\; б\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{b\}\}$. Тонкие барьеры на каждом пути представляют собой джозефсоновские переходы, которые вместе разделяют две сверхпроводящие области. $\Phi \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Phi\}$представляет магнитный поток, пронизывающий контур СКВИДа постоянного тока. Электрическая схема СКВИДа, где $I\; b\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{b\}\}$- ток смещения, $I\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{0\}\}$- критический ток СКВИДа, $\Phi \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Phi\}$- это поток, пронизывающий СКВИД, а $V\; \{\backslash \; displaystyle\; V\}$- это реакция напряжения на этот поток. X-символы представляют джозефсоновские переходы. Слева: график зависимости тока от напряжения для СКВИДа. Верхняя и нижняя кривые соответствуют $n\; \cdot \; \Phi \; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; n\; \backslash \; cdot\; \backslash \; Phi\; \_\; \{0\}\}$и $n\; +\; 1\; 2\; \cdot \; \Phi \; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; n\; +\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{2\}\}\; \backslash \; cdot\; \backslash \; Phi\; \_\; \{0\}\}$соответственно. Справа: периодическая реакция напряжения из-за потока через СКВИД. Периодичность равна одному кванту потока, $\Phi \; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Phi\; \_\; \{0\}\}$.

СКВИД постоянного тока был изобретен в 1964 году Робертом Яклевичем, Джоном Дж. Ламбе, Джеймсом Мерсеро и Арнольдом Сильвером из после Брайан Дэвид Джозефсон постулировал эффект Джозефсона в 1962 году, и первое соединение Джозефсона было сделано Джоном Роуэллом и Филипом Андерсоном в Bell Labs в 1963 году. Он имеет два параллельных джозефсоновских перехода в сверхпроводящей петле. Он основан на DC эффекте Джозефсона. В отсутствие какого-либо внешнего магнитного поля входной ток $I\; \{\backslash \; displaystyle\; I\}$разделяется на две ветви поровну. Если к сверхпроводящей петле приложить небольшое внешнее магнитное поле, экранирующий ток, $I\; s\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{s\}\}$, начинает циркулировать по петле, которая генерирует магнитное поле, отменяя приложенное внешний поток, и создает дополнительную фазу Джозефсона, которая пропорциональна этому внешнему магнитному потоку. Индуцированный ток имеет то же направление, что и $I\; \{\backslash \; displaystyle\; I\}$в одной из ветвей сверхпроводящей петли, и противоположен $I\; \{\backslash \; displaystyle\; I\}$в другом филиале; общий ток становится $I\; /\; 2\; +\; I\; s\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; /\; 2\; +\; I\_\; \{s\}\}$в одной ветви и $I\; /\; 2\; -\; I\; s\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; /\; 2\; -I\_\; \{s\}\}$в другом. Как только ток в любой ветви превысит критический ток $I\; c\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{c\}\}$, перехода Джозефсона, на переходе появится напряжение.

Теперь предположим, что внешний поток увеличивается до тех пор, пока он не превысит $\Phi \; 0/2\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Phi\; \_\; \{0\}\; /\; 2\}$, половину магнитного потока . квант. Поскольку поток, заключенный в сверхпроводящий контур, должен быть целым числом квантов потока, вместо экранирования потока СКВИД теперь энергетически предпочитает увеличивать его до $\Phi \; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Phi\; \_\; \{0\}\}$. Теперь ток течет в противоположном направлении, что противоречит разнице между допустимым потоком $\Phi \; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Phi\; \_\; \{0\}\}$и внешним полем чуть более $\Phi \; 0\; /\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Phi\; \_\; \{0\}\; /\; 2\}$. Ток уменьшается по мере увеличения внешнего поля, равен нулю, когда поток равен точно $\Phi \; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Phi\; \_\; \{0\}\}$, и снова меняет направление на противоположное при дальнейшем увеличении внешнего поля.. Таким образом, ток периодически меняет направление, каждый раз, когда поток увеличивается на дополнительное полуцелое число, кратное $\Phi \; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Phi\; \_\; \{0\}\}$, с изменением максимальной силы тока каждую половину. -plus-integer, кратное $\Phi \; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Phi\; \_\; \{0\}\}$и при нуле амперах каждое целое кратное.

Если входной ток больше, чем $I\; c\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{c\}\}$, то СКВИД всегда работает в резистивном режиме. Таким образом, напряжение в этом случае является функцией приложенного магнитного поля и периода, равного $\Phi \; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Phi\; \_\; \{0\}\}$. Поскольку вольт-амперная характеристика СКВИДа постоянного тока является гистерезисной, шунтирующее сопротивление $R\; \{\backslash \; displaystyle\; R\}$подключается к переходу для устранения гистерезиса (в случае оксида меди на основе высокотемпературные сверхпроводники собственного сопротивления перехода обычно достаточно). Ток экранирования - это приложенный поток, деленный на самоиндукцию кольца. Таким образом, $\Delta \; \Phi \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; \backslash \; Phi\}$можно оценить как функцию от $\Delta \; V\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; V\}$(преобразователь потока в напряжение) следующим образом:

$\Delta \; V\; =\; R\; \cdot \; \Delta \; I\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; V\; =\; R\; \backslash \; cdot\; \backslash \; Delta\; I\}$

$2\; \cdot \; I\; =\; 2\; \cdot \; \Delta \; \Phi \; L\; \{\backslash \; displaystyle\; 2\; \backslash \; cdot\; I\; =\; 2\; \backslash \; cdot\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; Delta\; \backslash \; Phi\}\; \{L\}\}\}$, где $L\; \{\backslash \; displaystyle\; L\}$- собственная индуктивность сверхпроводящего кольца

$\Delta \; V\; =\; RL\; \cdot \; \Delta \; \Phi \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; V\; =\; \{\backslash \; frac\; \{R\}\; \{L\}\}\; \backslash \; cdot\; \backslash \; Delta\; \backslash \; Phi\}$

Обсуждение в этом разделе предполагает идеальное квантование потока в контуре. Однако это верно только для больших контуров с большой самоиндукцией. Согласно приведенным выше соотношениям это также подразумевает небольшие колебания тока и напряжения. На практике самоиндуктивность $L\; \{\backslash \; displaystyle\; L\}$контура не такая большая. Общий случай можно оценить, введя параметр

$\lambda \; =\; ic\; L\; \Phi \; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; lambda\; =\; \{\backslash \; frac\; \{i\_\; \{c\}\; L\}\; \{\backslash \; Phi\; \_\; \{0\}\}\}\}$

с $ic\; \{\backslash \; displaystyle\; i\_\; \{c\}\}$критический ток СКВИДа. Обычно $\lambda \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; lambda\}$имеет порядок один.

RF SQUID

Прототип SQUID

RF SQUID был изобретен в 1965 году Робертом Яклевичем, Джон Дж. Ламбе, Арнольд Сильвер и Джеймс Эдвард Циммерман в Ford. Он основан на эффекте Джозефсона переменного тока и использует только один переход Джозефсона. Он менее чувствителен по сравнению с СКВИДом постоянного тока, но дешевле и его легче производить в меньших количествах. Большинство фундаментальных измерений в биомагнетизме, даже очень слабых сигналов, были выполнены с использованием высокочастотных сквидов. ВЧ СКВИД индуктивно связан с резонансным контуром резервуара. В зависимости от внешнего магнитного поля, поскольку СКВИД работает в резистивном режиме, эффективная индуктивность контура резервуара изменяется, тем самым изменяя резонансную частоту контура резервуара. Эти измерения частоты могут быть легко выполнены, и, таким образом, потери, которые проявляются как напряжение на нагрузочном резисторе в цепи, являются периодической функцией приложенного магнитного потока с периодом $\Phi \; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Phi\; \_\; \{0\; \}\}$. Точное математическое описание см. В оригинальной статье Эрне и др.

Используемые материалы

Традиционные сверхпроводящие материалы для SQUID - это чистый ниобий или сплава свинца с 10% золота или индия, поскольку чистый свинец нестабилен при многократном изменении его температуры. Для поддержания сверхпроводимости все устройство должно работать в пределах нескольких градусов от абсолютного нуля, охлаждаемого жидким гелием.

. Высокотемпературные SQUID-датчики были разработаны в конце 1980-х годов. Они изготовлены из высокотемпературных сверхпроводников, в частности YBCO, и охлаждаются жидким азотом, который дешевле и проще в обращении, чем жидкий гелий. Они менее чувствительны, чем обычные низкотемпературные СКВИДы, но достаточно хороши для многих приложений.

В 2006 году была продемонстрирована концепция сенсоров CNT-SQUID, построенных с алюминиевой петлей и одностенной углеродной нанотрубкой. Джозефсоновский переход. Датчики имеют размер несколько 100 нм и работают при 1К или ниже. Такие датчики позволяют подсчитывать вращения.

Использование

Внутреннее устройство ранних сквидов

Чрезвычайная чувствительность SQUID делает их идеальными для исследований в области биологии. Магнитоэнцефалография (МЭГ), например, использует измерения из массива SQUID, чтобы сделать выводы о нейронной активности внутри мозга. Поскольку SQUID могут работать со скоростью, намного превышающей максимальную интересующую временную частоту сигналов, излучаемых мозгом (кГц), MEG обеспечивает хорошее временное разрешение. Еще одна область, в которой используются SQUID, - это магнитогастрография, которая занимается регистрацией слабых магнитных полей желудка. Новым применением SQUID является метод мониторинга магнитных маркеров, который используется для отслеживания пути перорального введения лекарств. В клинической среде SQUID используются в кардиологии для визуализации магнитного поля (MFI), которая определяет магнитное поле сердца для диагностики и стратификации риска.

Вероятно, наиболее распространенное коммерческое использование SQUID - это системы измерения магнитных свойств (MPMS). Это системы под ключ от нескольких производителей, которые измеряют магнитные свойства образца материала. Обычно это делается в диапазоне температур от 300 мК до примерно 400 К. С уменьшением размеров SQUID-датчиков с последнего десятилетия, такой датчик может оснащаться наконечником зонда AFM. Такое устройство позволяет одновременно измерять шероховатость поверхности образца и локальный магнитный поток.

Например, СКВИДы используются в качестве детекторов для выполнения магнитно-резонансной томографии (МРТ). В то время как МРТ с высоким полем использует поля прецессии от одного до нескольких тесла, МРТ с обнаружением SQUID использует поля измерений, которые лежат в диапазоне микротесла. В традиционной системе МРТ сигнал масштабируется как квадрат частоты измерения (и, следовательно, поля прецессии): одна степень частоты возникает из-за тепловой поляризации спинов при температуре окружающей среды, а вторая мощность поля возникает из-за того, что индуцированное напряжение в измерительной катушке пропорционально частоте прецессирующей намагниченности. В случае ненастроенного СКВИД-детектирования преполяризованных спинов, однако, сила сигнала ЯМР не зависит от поля прецессии, что позволяет детектировать МРТ-сигнал в чрезвычайно слабых полях, порядка магнитного поля Земли. МРТ с обнаружением СКВИДа имеет преимущества перед системами МРТ с высоким полем, такие как низкая стоимость, необходимая для создания такой системы, и ее компактность. Этот принцип был продемонстрирован при визуализации конечностей человека, и его будущее применение может включать скрининг опухолей.

Еще одним применением является сканирующий микроскоп SQUID, в котором используется SQUID, погруженный в жидкий гелий. как зонд. Использование SQUID в нефти разведке, разведке полезных ископаемых, прогнозировании землетрясений и геотермальной энергетике становится все более распространенным по мере развития сверхпроводниковой технологии; они также используются в качестве прецизионных датчиков движения в различных научных приложениях, таких как обнаружение гравитационных волн. SQUID - это датчик в каждом из четырех гироскопов, используемых на Gravity Probe B, чтобы проверить пределы теории общей теории относительности.

. Модифицированный RF SQUID использовался для наблюдения впервые динамический эффект Казимира.

СКВИДы, построенные из переохлажденных ниобиевых проволочных петель, используются в качестве основы для D-Wave Systems 2000Q квантовый компьютер.

Датчики перехода

Одно из самых больших применений СКВИДов - считывание сверхпроводящих датчиков края перехода. Сотни тысяч мультиплексированных СКВИДов, соединенных с датчиками на переходных краях, в настоящее время используются для изучения космического микроволнового фона, для рентгеновской астрономии, для поиска темной материи, состоящей из Слабо взаимодействующие массивные частицы, а также для спектроскопии на синхротронных источниках света.

Холодная темная материя

Усовершенствованные СКВИДы, называемые почти квантово-ограниченными СКВИД-усилителями, составляют основу Аксиона. Эксперимент с темной материей (ADMX) в Вашингтонском университете. Аксионы являются основным кандидатом на холодную темную материю.

Предлагаемое использование

Существует потенциальное военное применение для использования в противолодочной войне в качестве детектора магнитных аномалий (MAD), установленный на самолет морского патрулирования.

SQUID используются в суперпарамагнитной релаксометрии (SPMR), технологии, которая использует высокую чувствительность датчиков SQUID к магнитному полю и суперпарамагнитные свойства магнетита. наночастицы. Эти наночастицы парамагнитны; у них нет магнитного момента, пока они не подвергаются воздействию внешнего поля, в котором они становятся ферромагнитными. После снятия намагничивающего поля наночастицы распадаются из ферромагнитного состояния в парамагнитное состояние с постоянной времени, которая зависит от размера частиц и от того, связаны ли они с внешней поверхностью. Измерение затухающего магнитного поля с помощью датчиков SQUID используется для обнаружения и локализации наночастиц. Приложения для SPMR могут включать обнаружение рака.

См. Также

• Эффект Ааронова – Бома
• Электромагнетизм
• Геофизика
• Макроскопические квантовые явления

Примечания

Ссылки

• Кларк, Джон; Брагинский, Алекс И., ред. (2006). Справочник по SQUID: Приложения SQUID и SQUID-систем. 2 . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40408-7. CS1 maint: ref = harv (ссылка )