Сверхпроводящие квантовые интерферометры (SQUID)

Сверхпроводящие квантовые интерферометры (SQUID, от англ. Superconducting Quantum Interference Device) — это устройства, основанные на явлениях квантовой интерференции и сверхпроводимости, которые используются для измерения сверхмалых магнитных полей с высокой точностью. Эти приборы играют важную роль в физике, медицине, геофизике и других областях благодаря своей исключительной чувствительности.

 

Принципы работы SQUID

Основу работы SQUID составляют два фундаментальных явления:

1. Сверхпроводимость:

   • Сверхпроводимость — это состояние материала, при котором его электрическое сопротивление становится нулевым при температурах ниже критической.
   • В сверхпроводниках ток может течь без потерь энергии.

2. Квантовая интерференция:

   • В сверхпроводящих кольцах магнитный поток квантуется, то есть принимает дискретные значения, кратные квантовому магнитному потоку:
     
     $${\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>\Phi </em></span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>0</em></span>}}<span\; style="font-size:16px;"><em>=</em></span>\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>h</em></span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>2</em></span>}\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>e</em></span>}}<span\; style="font-size:16px;"><em>\approx </em></span>\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>2.07</em></span>}<span\; style="font-size:16px;"><em>\times </em></span>\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>1</em></span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>0</em></span>}}^{<span\; style="font-size:16px;"><em>-</em></span>\mathrm{<span\; style="font-size:16px;"><em>15</em></span>}}\text{<span style="font-size:16px;"><em>\hspace{0.17em}</em></span>}\text{<span style="font-size:16px;"><em>Вб</em></span>}<span\; style="font-size:16px;"><em>,</em></span>$$
     где $h$ — постоянная Планка, $e$ — заряд электрона.
   • Если через кольцо пропускают ток, магнитный поток внутри кольца изменяется квантованным образом, что приводит к интерференции волновых функций сверхпроводящих электронов (Куперовских пар).

 

Конструкция SQUID

Типичный SQUID состоит из:

1. Сверхпроводящего кольца:

   • Это основа прибора, по которому течёт сверхпроводящий ток.

2. Джозефсоновских переходов:

   • Джозефсоновский переход — это тонкий изолирующий слой между двумя сверхпроводниками, через который возможен сверхпроводящий ток за счёт туннелирования Куперовских пар.

Существует два типа SQUID:

1. DC-SQUID (постоянный ток):
   • Содержит два Джозефсоновских перехода.
   • Применяется для точных измерений магнитных полей.
2. RF-SQUID (высокочастотный):
   • Содержит один Джозефсоновский переход.
   • Работает с внешним резонансным контуром, что упрощает конструкцию, но снижает чувствительность.

 

Принципы работы DC-SQUID

Основной принцип: Магнитный поток через сверхпроводящее кольцо влияет на ток через Джозефсоновские переходы. Измеряя этот ток, можно определить величину магнитного поля.

• Если приложить внешнее магнитное поле, магнитный поток через кольцо изменится.
• Это вызывает изменение токов через Джозефсоновские переходы, поскольку они чувствительны к разности фаз сверхпроводящих волн.
• Изменения токов интерферируют, что создаёт периодическую зависимость выходного сигнала от магнитного потока.

 

Квантование магнитного потока

Одним из ключевых свойств SQUID является квантование магнитного потока. Магнитный поток $\mathrm{\Phi }$ в кольце может принимать только значения, кратные квантам ${\mathrm{\Phi }}_0$:

$$\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">\Phi </span></em>}<em><span\; style="font-size:16px;">=</span></em>\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">n</span></em>}{\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">\Phi </span></em>}}_{\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">0</span></em>}}<em><span\; style="font-size:16px;">,</span></em>$$

где $n$ — целое число.

Любое изменение магнитного потока вызывает перераспределение токов в кольце, что и регистрируется устройством.

 

Чувствительность SQUID

• SQUID обладает исключительной чувствительностью к магнитным полям, вплоть до $10^{-15}\text{Тл}$ (фемтотесла).
• Чувствительность достигается благодаря квантовой природе явлений, обеспечивающей точное измерение магнитного потока.

 

Применение SQUID

1. Медицина

1. Магнитоэнцефалография (МЭГ):
   • Измерение магнитных полей, создаваемых электрической активностью мозга.
   • SQUID позволяет фиксировать слабейшие сигналы от нейронов.
2. Магнитокардиография:
   • Измерение магнитного поля, создаваемого сердцем.
   • Применяется для диагностики сердечных заболеваний.

2. Физика

1. Измерение слабых магнитных полей:
   • В экспериментах по физике высоких энергий и исследованиях сверхпроводников.
2. Исследование квантовых явлений:
   • Используется в экспериментах по квантовой механике, таких как тесты квантовой интерференции.

3. Геофизика

• Измерение магнитного поля Земли.
• Поиск полезных ископаемых с использованием слабых магнитных аномалий.

4. Технологии и электроника

1. Спинтроника:
   • SQUID используется для измерения магнитных свойств новых материалов.
2. Сверхчувствительные датчики:
   • Применяются в навигации, детектировании сигналов и в военных технологиях.

 

Рабочая температура

• Для работы SQUID необходимы сверхнизкие температуры, при которых материал становится сверхпроводящим.
• Обычно используются материалы с высокой критической температурой, такие как:
  • Низкотемпературные сверхпроводники (например, Nb, $T_c\approx 9\text{К}$).
  • Высокотемпературные сверхпроводники (например, YBCO, $T_c\approx 90\text{К}$).

Для охлаждения применяют жидкий гелий ($4.2\text{К}$) или жидкий азот ($77\text{К}$).

 

Преимущества и ограничения Преимущества:

1. Высокая чувствительность.
2. Возможность измерения слабейших магнитных полей.
3. Компактность и возможность интеграции в сложные системы.

Ограничения:

1. Необходимость работы при сверхнизких температурах.
2. Чувствительность к шуму и внешним помехам.
3. Сложность и высокая стоимость производства.

 

Будущее SQUID

Современные исследования направлены на:

1. Миниатюризацию устройств:
   • Создание нанометровых SQUID для работы с молекулами и атомами.
2. Повышение рабочих температур:
   • Использование новых сверхпроводников для работы при температурах выше 77 К.
3. Разработка новых применений:
   • Квантовые компьютеры и квантовая метрология.

 

Заключение

Сверхпроводящие квантовые интерферометры — это уникальные устройства, которые сочетают в себе фундаментальные квантовые эффекты и прикладные технологии. Их способность измерять сверхмалые магнитные поля делает их незаменимыми в науке, медицине и технике. Благодаря развитию сверхпроводниковых технологий, SQUID продолжает открывать новые горизонты в изучении мира.