Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Кальмар (значения) .

Чувствительный элемент СКВИДа, 2008 г.

СКВИД (для сверхпроводящего квантового интерференционного устройства ) является очень чувствительным магнитометр для измерения чрезвычайно тонких магнитных полей , на основе сверхпроводящих контуров , содержащих Джозефсона .

Сквиды чувствительны достаточно для измерения полей , как минимум 5 с T (5 × 10 -18 T) с несколько дней усредненных измерений. [1] Их уровни шума минимальны 3 F T · Гц - 1 / 2 . [2] Для сравнения, типичный магнит холодильника производит 0,01 тесла (10 -2 Тл), а некоторые процессы у животных создают очень небольшие магнитные поля от 10 -9 Тл до 10 -6 Тл. Атомные магнитометры SERF , изобретенные в начале 2000-х. потенциально более чувствительны и не требуют криогенных охлаждение, но они на порядки больше по размеру (~ 1 см 3 ) и должны работать в почти нулевом магнитном поле.

История и дизайн [ править ]

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

DC SQUID [ править ]

Схема СКВИДа постоянного тока. Ток входит и разделяется на два пути, каждый с токами и . Тонкие барьеры на каждом пути представляют собой джозефсоновские переходы, которые вместе разделяют две сверхпроводящие области. представляет собой магнитный поток, пронизывающий контур СКВИДа постоянного тока.
Электрическая схема СКВИДа, где - ток смещения, - это критический ток СКВИДа, - это поток, протекающий через СКВИД, и это реакция напряжения на этот поток. X-символы обозначают переходы Джозефсона .
Слева: график зависимости тока от напряжения для СКВИДа. Верхняя и нижняя кривые соответствуют и соответственно. Справа: периодическая реакция напряжения из-за потока через СКВИД. Периодичность равна одному кванта потока .

DC SQUID был изобретен в 1964 году Робертом Яклевичем, Джоном Дж. Ламбе, Джеймсом Мерсеро и Арнольдом Сильвером из Ford Research Labs [3] после того, как Брайан Дэвид Джозефсон постулировал эффект Джозефсона в 1962 году, и первое соединение Джозефсона было сделано Джоном Роуэллом. и Филип Андерсон из Bell Labs в 1963 году. [4] Он имеет два параллельных джозефсоновских перехода в сверхпроводящей петле. Он основан на эффекте Джозефсона постоянного тока . В отсутствие какого-либо внешнего магнитного поля входной ток делится на две ветви поровну. Если к сверхпроводящей петле приложить небольшое внешнее магнитное поле, экранирующий ток,, начинает циркулировать контур, который генерирует магнитное поле, компенсирующее приложенный внешний поток, и создает дополнительную фазу Джозефсона, которая пропорциональна этому внешнему магнитному потоку. [5] Индуцированный ток направлен в том же направлении, что и в одной из ветвей сверхпроводящей петли, и противоположен в другой ветви; общий ток становится в одной ветви и в другой. Как только ток в каждой ветви превышает критический ток, , от джозефсоновского , напряжение появляется на переход.

Теперь предположим, что внешний поток увеличивается до тех пор, пока не превысит половину кванта магнитного потока . Поскольку поток, заключенный в сверхпроводящий контур, должен быть целым числом квантов потока, вместо экранирования потока СКВИД теперь энергетически предпочитает его увеличивать . Теперь ток течет в противоположном направлении, противодействуя разнице между допустимым потоком и внешним полем чуть больше . Ток уменьшается при увеличении внешнего поля, равен нулю, когда поток равен точно , 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, с изменением максимальной силы тока через каждые половину плюс целое кратное и при нулевом значении ампер через каждое целое кратное.

Если входной ток больше чем , то СКВИД всегда работает в резистивном режиме. Таким образом, напряжение в этом случае является функцией приложенного магнитного поля и периода, равного . Поскольку вольт-амперная характеристика СКВИДа постоянного тока является гистерезисной, через переход подключается шунтирующее сопротивление для устранения гистерезиса (в случае высокотемпературных сверхпроводников на основе оксида меди обычно достаточно собственного внутреннего сопротивления перехода). Ток экранирования - это приложенный поток, деленный на самоиндуктивность кольца. Таким образом, можно оценить как функцию (преобразователь потока в напряжение) [6] [7] следующим образом:

, где - самоиндукция сверхпроводящего кольца

Обсуждение в этом разделе предполагало 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 самоиндукция контура не такая большая. Общий случай можно оценить, введя параметр

с критическим током СКВИДа. Обычно бывает первого порядка. [8]

RF SQUID [ править ]

Прототип СКВИДа

RF SQUID был изобретен в 1965 году Робертом Яклевичем, Джоном Дж. Ламбе, Арнольдом Сильвером и Джеймсом Эдвардом Циммерманом в компании Ford. [7] 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 биомагнетизма , даже очень слабых сигналов, были выполнены с использованием высокочастотных сквидов. [9] [10] РЧ СКВИД индуктивно связан с резонансным контуром резервуара. [11]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 частотные измерения могут быть легко выполнены, и, таким образом, потери, которые появляются как напряжение на нагрузочном резисторе в цепи, являются периодической функцией приложенного магнитного потока с периодом . Точное математическое описание см. В оригинальной статье Erné et al. [6] [12]

Использованные материалы [ править ]

Традиционными сверхпроводящими материалами для СКВИДов являются чистый ниобий или свинцовый сплав с 10% золота или индия , поскольку чистый свинец нестабилен при многократном изменении его температуры. Чтобы поддерживать сверхпроводимость, все устройство должно работать в пределах нескольких градусов от абсолютного нуля , охлаждаясь жидким гелием . [13]

Высокотемпературные SQUID-датчики были разработаны в конце 1980-х годов. [14] Они сделаны из высокотемпературных сверхпроводников , в частности, YBCO , и охлаждаются жидким азотом, который дешевле и легче в обращении, чем жидкий гелий. Они менее чувствительны, чем обычные низкотемпературные СКВИДы, но достаточно хороши для многих приложений. [15]

В 2006 году была показана доказательная концепция сенсоров CNT-SQUID, построенных с использованием алюминиевой петли и джозефсоновского перехода из углеродных нанотрубок с однослойной стенкой . [16] Датчики имеют размер несколько 100 нм и работают при 1К или ниже. Такие датчики позволяют считать вращения. [17]

Использует [ редактировать ]

Внутреннее устройство раннего SQUID, около 1990 г.

Чрезвычайная чувствительность кальмаров делает их идеальными для изучения биологии. Магнитоэнцефалография (МЭГ), например, использует измерения с массива SQUID, чтобы сделать выводы о нейронной активности внутри мозга. Поскольку SQUID могут работать со скоростью сбора данных, намного превышающей наивысшую интересующую временную частоту сигналов, излучаемых мозгом (кГц), MEG обеспечивает хорошее временное разрешение. Еще одна область, в которой используются SQUID , - это магнитогастрография , при которой регистрируются слабые магнитные поля желудка. Новым применением SQUID является метод мониторинга магнитных маркеров , который используется для отслеживания пути перорального введения лекарств. В клинической среде СКВИДы 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 температурном диапазоне от 300 мК до примерно 400 К. [18] С уменьшением размеров SQUID-датчиков с последнего десятилетия, такой датчик может оснащаться наконечником зонда AFM . Такой прибор позволяет одновременно измерять шероховатость поверхности образца и локальный магнитный поток. [19]

Например, СКВИДы используются в качестве детекторов для 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 степень поля возникает из-за того, что индуцированное напряжение в катушке датчика пропорционально частоте прецессирующей намагниченности. Однако в случае ненастроенного СКВИД-детектирования преполяризованных спинов сила сигнала ЯМР не зависит от поля прецессии, что позволяет детектировать МРТ-сигнал в чрезвычайно слабых полях, порядка магнитного поля Земли. МРТ с обнаружением СКВИД имеет преимущества перед системами МРТ с высоким полем.такие как низкая стоимость, необходимая для создания такой системы, и ее компактность. Принцип был продемонстрирован путем визуализации человеческих конечностей, и его будущее применение может включать скрининг опухолей.[20]

Еще одно применение - сканирующий СКВИД-микроскоп , в котором в качестве зонда используется СКВИД, погруженный в жидкий гелий . Использование SQUID в поисках нефти , полезных ископаемых , [21] прогнозировании землетрясений и геотермальной энергетической разведке 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 . [22] SQUID - это датчик в каждом из четырех гироскопов, используемых на Gravity Probe B , чтобы проверить пределы общей теории относительности.. [1]

Модифицированный радиочастотный сквид впервые был использован для наблюдения динамического эффекта Казимира . [23] [24]

Сквиды, построенные из переохлажденных ниобиевых проволочных петель, используются в качестве основы для квантового компьютера D-Wave Systems 2000Q . [25]

Передние датчики [ править ]

Одно из самых распространенных применений СКВИДов - считывание сверхпроводящих датчиков переходного края . Сотни тысяч мультиплексированных сквидов, подключенных к датчикам на границе перехода, в настоящее время используются для изучения космического микроволнового фона , для рентгеновской астрономии , для поиска темной материи, состоящей из слабо взаимодействующих массивных частиц , и для спектроскопии на синхротронных источниках света .

Холодная темная материя [ править ]

Усовершенствованные СКВИДы, называемые сквид-усилителями с почти квантовым ограничением, составляют основу Аксионного эксперимента с темной материей (ADMX) в Вашингтонском университете. Аксионы - главный кандидат на роль холодной темной материи . [26]

Предлагаемое использование [ править ]

Существует потенциальное военное применение для использования в противолодочной войне в качестве детектора магнитных аномалий (MAD), установленного на самолетах морского патрулирования . [27]

SQUID используются в суперпарамагнитной релаксометрии (SPMR), технологии, которая использует высокую чувствительность датчиков SQUID к магнитному полю и суперпарамагнитные свойства наночастиц магнетита . [28] [29] Эти наночастицы парамагнитны; у них нет магнитного момента, пока они не подвергаются воздействию внешнего поля, где 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. [30]

См. Также [ править ]

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

Заметки [ править ]

  1. ^ a b Ран, Шеннон К'доа (2004). Gravity Probe B: Исследование Вселенной Эйнштейна с помощью гироскопов (PDF) . НАСА . п. 26.
  2. ^ Д. Друнг; К. Ассманн; Дж. Бейер; А. Кирсте; М. Петерс; F. Ruede & Th. Шуриг (2007). «Высокочувствительные и простые в использовании SQUID-датчики» (PDF) . IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости . 17 (2): 699–704. Bibcode : 2007ITAS ... 17..699D . DOI : 10,1109 / TASC.2007.897403 . S2CID 19682964 . Архивировано из оригинального (PDF) 19 июля 2011 года.  
  3. ^ RC Jaklevic; Дж. Ламбе; А. Х. Сильвер и Дж. Э. Мерсеро (1964). «Квантовые интерференционные эффекты в джозефсоновском туннелировании». Письма с физическим обзором . 12 (7): 159–160. Bibcode : 1964PhRvL..12..159J . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.12.159 .
  4. ^ Андерсон, П .; Роуэлл, Дж. (1963). «Вероятное наблюдение джозефсоновского сверхпроводящего туннельного эффекта». Письма с физическим обзором . 10 (6): 230–232. Bibcode : 1963PhRvL..10..230A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.10.230 .
  5. ^ «Лекции Фейнмана по физике, том III, глава 21: уравнение Шредингера в классическом контексте: семинар по сверхпроводимости, раздел 21–9: переход Джозефсона» . www.feynmanlectures.caltech.edu . Проверено 8 января 2020 года .
  6. ^ a b E. du Trémolet de Lacheisserie, D. Gignoux и M. Schlenker (редакторы) (2005). Магнетизм: материалы и приложения . 2 . Springer.CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: extra text: authors list (link)
  7. ^ a b Дж. Кларк и А. И. Брагинский (ред.) (2004). Справочник SQUID . 1 . Wiley-Vch.CS1 maint: extra text: authors list (link)
  8. ^ A.TH.AM де Waele и Р. де Брейна Ouboter (1969). «Квантово-интерференционные явления в точечных контактах двух сверхпроводников». Physica . 41 (2): 225–254. Bibcode : 1969Phy .... 41..225D . DOI : 10.1016 / 0031-8914 (69) 90116-5 .
  9. ^ Романи, GL; Уильямсон, SJ; Кауфман, Л. (1982). «Биомагнитная аппаратура». Обзор научных инструментов . 53 (12): 1815–1845. Bibcode : 1982RScI ... 53.1815R . DOI : 10.1063 / 1.1136907 . PMID 6760371 . 
  10. ^ Sternickel, K .; Брагинский, AI (2006). «Биомагнетизм с использованием SQUID: состояние и перспективы». Наука и технологии сверхпроводников . 19 (3): S160. Bibcode : 2006SuScT..19S.160S . DOI : 10.1088 / 0953-2048 / 19/3/024 .
  11. ^ Nisenoff, M .; Вольф, С. (1 сентября 1975 г.). "Наблюдение члена $ cos \ suremath {\ varphi} $ в соотношении ток-фаза для слабого звена типа" Dayem ", содержащегося в сверхпроводящем квантовом интерференционном устройстве с высокочастотным смещением". Physical Review B . 12 (5): 1712–1714. DOI : 10.1103 / PhysRevB.12.1712 .
  12. ^ С. Н. Эрне; Х.-Д. Hahlbohm; Х. Люббиг (1976). "Теория сверхпроводящего устройства квантовой интерференции с высокочастотным смещением для негистерезисного режима". J. Appl. Phys . 47 (12): 5440–5442. Bibcode : 1976JAP .... 47.5440E . DOI : 10.1063 / 1.322574 .
  13. ^ "СКВИД" . www.chemeurope.com . Проверено 21 августа 2020 .
  14. ^ MS Colclough, CE Gough и др., Работа радиочастотного СКВИДа с использованием керамического высокотемпературного сверхпроводника, Nature 328, 47 (1987)
  15. ^ Л.П. Ли и др., Монолитный СКВИД-магнитометр постоянного тока 77K, Applied Physics Letters 59, 3051 (1991)
  16. ^ Cleuziou, J.-P .; Вернсдорфер, В. (2006). «Устройство для сверхпроводящей квантовой интерференции из углеродных нанотрубок». Природа Нанотехнологии . 1 (октябрь): 53–59. Bibcode : 2006NatNa ... 1 ... 53C . DOI : 10.1038 / nnano.2006.54 . PMID 18654142 . S2CID 1942814 .  
  17. ^ Априли, Марко (2006). «Дебют nanoSQUID». Природа Нанотехнологии . 1 (октябрь): 15–16. Bibcode : 2006NatNa ... 1 ... 15 . DOI : 10.1038 / nnano.2006.78 . PMID 18654132 . S2CID 205441987 .  
  18. ^ Kleiner, R .; Koelle, D .; Людвиг, Ф .; Кларк, Дж. (2004). «Сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства: современное состояние и приложения». Труды IEEE . 92 (10): 1534–1548. DOI : 10.1109 / JPROC.2004.833655 . S2CID 20573644 . 
  19. ^ "Microscopie à microsquid - Institut NÉEL" . neel.cnrs.fr .
  20. ^ Кларк, Дж .; Ли, AT; Mück, M .; Ричардс, П.Л. "Глава 8.3: Ядерный магнитный и квадрупольный резонанс и магнитно-резонансная томография". С. 56–81. Отсутствует или пусто |title=( справка ) в Clarke & Braginski 2006
  21. ^ П. Шмидт; Д. Кларк; К. Лесли; М. Бик; Д. Тилбрук и К. Фоли (2004). «GETMAG - СКВИД-магнитно-тензорный градиентометр для разведки полезных ископаемых и нефти». Разведочная геофизика . 35 (4): 297–305. DOI : 10.1071 / eg04297 . S2CID 14994533 . 
  22. ^ Пайк, Хо Дж. "Глава 15.2". «Сверхпроводящий преобразователь для детекторов гравитационных волн» в [том 2] «Справочника по SQUID: приложения SQUID и SQUID-системы» . С. 548–554.в Clarke & Braginski 2006
  23. ^ «Первое наблюдение динамического эффекта Казимира» . Обзор технологий .
  24. Перейти ↑ Wilson, CM (2011). «Наблюдение динамического эффекта Казимира в сверхпроводящей цепи». Природа . 479 (7373): 376–379. arXiv : 1105,4714 . Bibcode : 2011Natur.479..376W . DOI : 10,1038 / природа10561 . PMID 22094697 . S2CID 219735 .  
  25. ^ http://www.lanl.gov/discover/publications/1663/2016-july/_assets/docs/1663_JULY-2016-Not-Magic-Quantum.pdf
  26. ^ Поиск аксионов в микроволновом резонаторе на основе кальмара, выполненный ADMX; С. Дж. Сталос, Дж. Карлос, К. Хэгман, Д. Кинион, К. ван Биббер, М. Хотц, Л. Розенберг, Дж. Рыбка, Дж. Хоскинс, Дж. Хван, П. Сикиви, Д. Б. Таннер, Р. Брэдли, Дж. Кларк; Phys.Rev.Lett. 104: 041301; 2010 г.
  27. ^ Уэллетт, Дженнифер. «Датчики SQUID проникают на новые рынки» (PDF) . Промышленный физик. п. 22. Архивировано из оригинального (PDF) 18 мая 2008 года.
  28. ^ Флинн, ER; Брайант, ХК (2005). «Биомагнитная система для визуализации рака in vivo» . Физика в медицине и биологии . 50 (6): 1273–1293. Bibcode : 2005PMB .... 50.1273F . DOI : 10.1088 / 0031-9155 / 50/6/016 . PMC 2041897 . PMID 15798322 .  
  29. ^ Де Аро, Лейма П .; Карауланов, Тодор; Vreeland, Erika C .; Андерсон, Билл; Hathaway, Хелен Дж .; Huber, Dale L .; Матлашов, Андрей Н .; Крапива, Кристофер П .; Прайс, Эндрю Д. (1 октября 2015 г.). «Магнитная релаксометрия применительно к чувствительному обнаружению и локализации рака». Биомедицинская инженерия / Biomedizinische Technik . 60 (5): 445–55. DOI : 10.1515 / BMT-2015-0053 . ISSN 1862-278X . ОСТИ 1227725 . PMID 26035107 . S2CID 13867059 .    
  30. ^ Хэтэуэй, Хелен Дж .; Батлер, Кимберли С .; Адольфи, Натали Л .; Ловато, Дебби М .; Белфон, Роберт; Феган, Даниэль; Монсон, Тодд С.; Трухильо, Джейсон Э .; Тессье, Трейс Э. (1 января 2011 г.). «Обнаружение клеток рака груди с помощью целевых магнитных наночастиц и сверхчувствительных датчиков магнитного поля» . Исследование рака груди . 13 (5): R108. DOI : 10.1186 / bcr3050 . ISSN 1465-542X . PMC 3262221 . PMID 22035507 .   

Ссылки [ править ]

  • Кларк, Джон; Брагинский, Алекс И., ред. (2006). Справочник по SQUID: Применение SQUID и SQUID-систем . 2 . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40408-7.