сквид

СКВИД [от англ. Superconducting Quantum Interference Device - сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство; сверхпроводящий квантовый интерферометр (магнитометр)] - высокочувствит. устройство для преобразования магн. потока в электрич. сигнал пост. или перем. тока, действие к-рого основано на явлении квантования магн. потока в сверхпроводящем кольце с включёнными в него контактами Джозефсона (КД; см. Джозефсона эффект ).В результате интерференции сверхпроводящих токов, при изменении магн. потока Ф через кольцо С. выходной сигнал осциллирует с периодом Ф₀, равным кванту магн. потока Ф₀ = h/2e = 2,068*10^-15 Вб, что связано с фазовой когерентностью сверхпроводящих электронов на макроскопич. расстояниях. Скачок фазы волновой ф-ции сверхпроводящих электронов на КД определяется полным магн. потоком через кольцо (), а сверхпроводящий ток через КД равен =, где I_с - критич. ток КД. Пои токе I > I_с на КД появляется напряжение

По числу КД в кольце С. и по способу формирования выходного сигнала различают двухконтактные С. пост. тока (ПТ-С.) и одноконтактные С. с ВЧ-накачкой (ВЧ-С.). В ПТ-С. через КД пропускается пост. ток, больший критич. значения I_c, и измеряется пост. напряжение на контакте (Ф_x), где Ф_x - измеряемый внеш. магн. поток. В ВЧ-С. высокочастотный ток I_вч в кольце С. возбуждается резонансным контуром, причём отклик С. V_вч(Ф_х)снимается с этого же контура.

Первым ПТ-С. можно считать устройство, в к-ром Ж. Мерсеро [1] с сотрудниками впервые в 1964 наблюдали квантовую интерференцию сверхпроводящих токов [1]. В 1967 Дж. Циммерман [2] и А. Силвер [2], изучая на перем. токе интерференц. эффекты в сверх-проводящем кольце с точечным КД [2], положили начало ВЧ-С.

Блок-схема ПТ-С. приведена на рис. 1. Если через симметричную конструкцию ПТ-С. (токи через КД равны) пропустить через кольцо С. пост. ток , то на параллельно включённых КД возникает пост. напряжение V, осциллирующее при изменении измеряемого внеш. магн. потока Ф_x, через кольцо С., при этом макс. значения V(Ф_x)достигаются при Ф_x = Ф₀(n + 1/2), а минимальные - при Ф_x = пФ₀, п - целое число, макс. размах осцилляции V(Ф) наблюдается при оптим. значении параметра LI_С/Ф₀ = 1, где L - индуктивность кольца. Коэф. преобразования для оптимизированных ПТ-С. равен где R - сопротивление шунтированных КД. Шунтирование туннельных КД применяется для создания безгистерезисной вольтамперной характеристики контакта. Современные тонкопланочные планарные ПТ-С., изготовленные методами фото- и электронной литографии, имеют коэф. преобразования до 1 мВ/Ф₀.

Рис. 1. Схема ПТ-сквида: ИТ - источник постоянного тока; СУ - согласующее устройство; ГМ - генератор модуляции; У - усилитель; СД - синхронный детектор; ФНЧ - фильтр низких частот.

Усиление и регистрация сигнала С. производятся электронными устройствами, находящимися при комнатной темп-ре. Для ослабления влияния НЧ-шумов вида 1/f (см. Флуктуации электрические)используется модуляц. метод обработки сигнала С.: в отд. катушку модуляции (L_m на рис. 1) вводится перем. ток частотой 100-200 кГц, создающий через кольцо С. поток с амплитудой ~ Ф₀/4. Перем. напряжение на С. усиливается, синхронно детектируется и фильтруется. Согласование низкого импеданса С. с высоким импедансом усилителя осуществляется согласующим устройством типа последоват. контура или резонансного трансформатора. Для измерений в большом диапазоне используется глубокая отрицат. обратная связь по магн. потоку. Напряжение через сопротивление обратной связи R_ос подаётся в катушку модуляции. В результате измеряемый поток компенсируется, а напряжение на резисторе R_ос служит выходным сигналом прибора, линейно связанным с измеряемым потоком в диапазоне100-1000 Ф₀.

Блок-схема типичного ВЧ-С., работающего на фиксиров. частоте радиочастотного диапазона 10-400 МГц, приведена на рис. 2. С кольцом С. связана катушка резонансного колебат. контура L_KC_K, возбуждаемого генератором тока ВЧ. Резонансный контур согласует низкий импеданс С. с высоким входным сопротивлением усилителя ВЧ. В зависимости от параметра различают безгистерезисный (I < 1) и гистерезисный (l > 1) режимы работы ВЧ-С. В первом случае кольцо С. представляет собой параметрич. индуктивность, осциллирующую с изменением внеш. потока Ф_х. Изменение индуктивности регистрируется по сдвигу резонансной частоты контура L_KC_K. Безгистерезисный режим работы ВЧ-С. редко используется в практич. устройствах из-за жёстких ограничений на параметры С., стабильность амплитуды и частоты сигнала ВЧ-накачки.

Рис. 2. Схема ВЧ-сквида: ГВЧ - генератор высокой частоты; УВЧ - усилитель высокой частоты; ГНЧ - генератор модуляции низкой частоты; СД - синхронный детектор, ФНЧ - фильтр низких частот.

Если I > 1, воздействие магн. потока накачки с амплитудой, достаточной для возбуждения в кольце с КД тока I_вч > I_с, приводит к характерным гистерезисным потерям энергии в колебат. контуре, уровень к-рых осциллирует в зависимости от внеш. потока Ф_х с периодом Ф₀. Соответствующее изменение добротности контура Q регистрируется по изменению напряжения V_вч(Ф_x) на нём. Коэф. преобразования магн. потока в напряжение для ВЧ-С. в гистерезисном режиме равен:

где w - частота накачки, k - коэф. связи контура со С. (оптимален k, для к-рого ). Для ВЧ-С. типичны значения коэф. преобразования 20-50 мкВ/Ф₀.

Для увеличения отношения сигнал/шум и линеаризации коэф. передачи прибора в схемах ВЧ-С. также применяется дополнит. НЧ-модуляция на частотах 10- 50 кГц и отрицательная обратная связь по магн. потоку.

Обычно измеряемый магн. поток через кольцо С. создаётся током I_xво входной или сигнальной катушке с индуктивностью мкГн (Ф_x = MI_x, где - взаимная индуктивность сигнальной катушки и кольца С., a k_c - коэф. связи].

Предельная чувствительность С. разл. типа характеризуется т. н. энергетич. чувствительностью:

выраженной через спектральную плотность мощности эквивалентного шумового потока или шумового тока. Эта величина имеет размерность действия, поэтому иногда её выражают в единицах *10^-34 Дж/Гц.

Энергетич. чувствительность типичных ПТ-С. с L ~ 10^-11 Гн ограничена тепловым шумом резисторов, шунтирующих КД, и равна 10^-30-10^-31 Дж/Гц. Для ряда ПТ-С., охлаждённых до Т < 1К, достигнуты рекордные значения при измерениях малых переменных Ф_х ~ 0,01 Ф₀ на частотах 100-200 кГц, где не сказывается шум вида 1/f.

Минимальный детектируемый сигнал ВЧ-С. определяется суммарными шумами усилителя ВЧ, контура и самого С. В оптимизиров. конструкциях при частоте накачки 20-30 МГц шумы характеризуются энергетич. чувствительностью Дж/Гц. Поскольку коэф. преобразования ВЧ-С. растёт с частотой, а собств. шумы падают, выигрыш в чувствительности можно получить, повышая частоту до СВЧ-диапазона (напр., при f = 10 ГГц получено Дж/Гц). Однако это приводит к существ. усложнению конструкции прибора.

В магн. поток, измеряемый С., легко преобразовать многие магн. и электрич. величины: магн. поле и его градиенты, магн. момент, ток, напряжение и др. Обычно это преобразование осуществляется с помощью сверхпроводящего трансформатора магн. потока: сигнальная катушка С. образует замкнутый сверхпроводящий контур с приёмной катушкой, непосредственно воспринимающей изменение магн. потока. В силу сохранения потока в этой цепи экранирующий ток «переносит» часть измеряемого потока в сигнальную катушку, связанную с кольцом С.

Чувствительность сверхпроводящих С--магнитометров достигает Тл/Гц^1/2 и определяется уже магн. шумом в тщательно экранированных помещениях. По чувствительности С--магнитометры превосходят традиц. магнитометры на 2-3 порядка. С--магнитометры применяются, напр., для измерения магнитных полей биологических объектов [8], магнитометрич. исследований в геофизике и геологии [9], измерения магн. восприимчивости веществ и материалов.

Применение С. для измерений электрич. величин позволяет достичь пороговой чувствительности по току 10^-12-10^-14 при нулевом сопротивлении сигнальной катушки. По напряжению чувствительность ограничена тепловым шумом низкоомных (10^-4-10^-8 Ом) источников сигнала и составляет при низких темп-рах 10^-13-10^-15. С--гальванометры и С--вольтметры служат для измерения проводимости и термоэлектрич. эффектов в нормальных и сверхпроводящих металлах. В метрологии С--гальванометры служат в качестве нуль-индикаторов в эталонных установках, к-рые воспроизводят единицу эдс (Вольт) на основе эффекта Джозефсона и единицу сопротивления (Ом) на основе квантового Холла эффекта (см. Квантовая метрология; )шумовой термометр на основе С. используется при установлении шкалы сверхнизких темп-р [5].

Осн. недостатком С., препятствующим их более широкому распространению, является необходимость охлаждения до уровня гелиевых или водородных темп-р при применении традиц. сверхпроводящих материалов. Открытие в 1986-87 оксидных высокотемпературных сверхпроводников с Т_с 100 К открывает перспективы создания С. при азотных темп-рах [10].

Лит.: 1) J a k l e v i с R. С. и др., Quantum interference from a static vector potential in a field-free region, «Phys. Rev. Lett.», 1964, v. 12, Ml 11, p. 274; 2) S i 1 v e r A. H., Z i m m e r m a n J. E., Quantum states and transitions in weakly connected superconducting rings, «Phys. Rev.», 1967, v. 157, p. 317; 3) Cолимар Л., Туннельный эффект в сверхпроводниках и его применение, пер. с англ., М., 1974; 4) Лихарев К. К., У л ь р и х Б. Т., Системы с джозефсоновскими контактами, М., 1978; 5) Слабая сверхпроводимость. Квантовые интерферометры и их применения, пер. с англ., М., 1980; 6) Б а р о н е А., Патерно Д., Эффект Джозефсона: физика и применения, пер. с англ., М., 1984; 7) Лихарев К. К., Введение в динамику джозефсоновских переходов, М., 1985; 8) Введенский В.Л., Ожогин В. И., Сверхчувствительная магнитометрия и биомагнетизм, М., 1986; 9) Одегнал М., Некоторые нестандартные применения сверхпроводящих квантовых интерферометров - сквидов (обзор), «Физика низких температур», 1985, т. 11, с. 5; 10) Т e s с h e С. D., Superconducting magnetometers, «Cryogenics», 1989, v. 29, p. 1135. И. Я. Краспополип.

   <<      Предметный указатель      >>