СКВИД-магнитометры

СКВИД (от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — сверхпроводящий квантовый интерферометр) — сверхчувствительные магнетометры, используемые для измерения очень слабых магнитных полей. СКВИД-магнетометры обладают рекордно высокой чувствительностью, достигающей 5×10⁻³³ Дж/Гц (чувствительность по магнитному полю — 10⁻¹³ Тл). Для длительных измерений усредненных значений в течение нескольких дней можно достичь значений чувствительности 5×10⁻¹⁸Тл.

Принцип работы

Простейший квантовый  магнитометр — СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо с двумя джозефсоновскими туннельными контактами. Это в определенном смысле аналог оптического эффекта с интерференцией от двух щелей, только здесь интерферируют не световые волны, а два джозефсоновских тока. Существенным для понимания работы СКВИДа является наличие волновых свойств у электрона — СКВИДе волна электронов разделяется на две, каждая из которых проходит свой туннельный контакт, а затем обе сводятся вместе. В случае отсутствия внешнего поля обе ветви 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 постоянного внешнего тока, а во втором — складываться. Теперь две ветви будут иметь разные токи, между туннельными контактами возникнет разность фаз. Волны электронов, пройдя через контакты и соединившись, будут интерферировать, интерференция проявится как зависимость критического тока СКВИДА от приложенного внешнего магнитного поля. Ступенчатый характер зависимости позволяет чувствовать отдельные кванты потока. Ступенчатый вид зависимости возникает из-за наличия условия изменения фазы электронной волны на джозефсоновском контакте на 2πn, где n — целое.

Типы СКВИДов

Различают два  типа сквидов — СКВИД на постоянном токе (двухконтактный СКВИД) и высокочастотный СКВИД (одноконтактный СКВИД).

СКВИД на постоянном токе

СКВИД на постоянном токе представляет собой два джозефсоновских перехода, включенных параллельно. Включение осуществляется массивными сверхпроводниками, которые вместе с джозефсоновскими переходами а и b образуют замкнутый контур (кольцо). Внутрь этого кольца введена катушка, создающая магнитный поток.

Работа СКВИДа на постоянном токе описывается двумя соотношениями Джозефсона:

некоторое критическое  значение , постоянная разность фаз

Эти соотношения  описывают соответственно стационарный и нестационарный эффект Джозефсона. Видно, что наиболее устойчиво сверхпроводящее состояние кольца по отношению к внешнему току будет в случаях, когда полный магнитный поток через интерферометр будет равен целому числу квантов потока Ф₀. Наоборот, случай, когда полный поток равен полуцелому числу квантов потока, соответствует неустойчивому сверхпроводящему состоянию: достаточно приложить к интерферометру ничтожный ток, чтобы он перешел в резистивное состояние и чтобы вольтметр обнаружил напряжение на интерферометре. 

Электрическая схема СКВИДа на постоянном токе, здесь I_b — внешний ток через СКВИД, I₀ — критический ток, Φ — магнитный поток, приложенный к контуру, V — падение напряжения на СКВИДе.

Слева: Вольт-амперная характеристика СКВИДа. Верхняя кривая соответствует nΦ₀, а нижняя — (n+1/2)Φ₀. Справа: Зависимость напряжения на контакте в зависимости от магнитного потока через контур. Период колебаний равен одному кванту потока Φ_0.

СКВИД на переменном токе

Работа СКВИДа на переменном токе основана на нестационарном эффекте Джозефсона и использует только один джозефсоновский контакт. Она менее чувствительна по сравнению со СКВИДом на постоянном токе, но дешевле и проще в производстве в малых количествах. Значительная часть фундаментальных измерений в биомагнетизме, включая даже измерение сверхмалых сигналов, были выполнены с использованием СКВИДов на переменном токе.

Схема магнитометра переменного тока на сквиде: 1 – сквид с одним ПД; 2 – колебательный электромагнитный контур; 3 – генератор переменного тока

Здесь используют сквид 1 с одним ПД, возле которого размещают колебательный контур 2. Между ними возникает индуктивная связь, показанная на штриховой стрелкой. На колебательный контур от генератора 3 подают переменный ток с частотой, близкой к резонансной частоте контура. В этом случае импеданс контура 2 становится очень чувствительным к изменениям внешнего магнитного потока , пронизывающего сквид. Выходным сигналом являются падения переменного напряжения на контуре.

Использование СКВИДов

Основное использование  СКВИДа на уровне элементной базы — это измерение слабых магнитных полей. На это свойство СКВИДа опирается весь спектр его применений: магнитоэнцефалография (технология, позволяющая измерять и визуализировать магнитные поля, возникающие вследствие электрической активности мозга), магнитогастрография (измерение магнитных полей желудка), магнитный маркерный мониторинг, исследование сердца в медицине, ядерный магнитный резонанс в технике, в геофизической разведке. Также есть соображения в части применения СКВИДов в квантовом компьютере в качестве кубитов (квантовый разряд или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере).

Сканирующий СКВИД-микроскоп

В отличие от традиционных магнетометров, в которых  СКВИДы используются как пассивные датчики низкочастотного или постоянного магнитных полей, в новом микроскопе используется переменный ток микроволновой частоты, циркулирующий по кольцу сквида, когда на его джозефсоновских переходах возникает постоянное напряжение (нестационарный эффект Джозефсона). Основной принцип действия в том, что микроволновой ток течет в кольце сквида легче, когда рядом с ним находится проводящий образец.

функциональная схема  сканирующего сквид-микроскопа: 1 – исследуемый образец; 2 – координатный стол; 3 – управление столом; 4 – чувствительные элементы на сквидах; 5 – хладопровод; 6 – жидкий азот; 7 – криостат; 8 – электронный блок;

Исследуемый образец 1 устанавливают на прецизионный координатный стол 2, работой которого управляет  узел 3. Рядом с образцом, на минимальном  расстоянии от него, находятся микроминиатюрные магниточувствительные элементы 4 на сквидах. Чтобы поддерживать температуру ниже критической, они установлены на хладопроводе 5, конец которого погружен в жидкий азот 6, залитый в криостат 7. Сигналы от магниточувствительных элементов подаются в электронный блок 8, где усиливаются, фильтруются, обрабатываются и в виде цифровых кодов передаются в ПК. По команде оператора компьютер организует перемещения координатного стола, на котором установлен образец, вдоль координат Х и Y и измерение в каждом положении, т.е. в каждой точке поверхности образца, проекций вектора индукции магнитного поля и/или его градиента.

Таким способом на экране монитора формируется увеличенное  в десятки-сотни раз двух- или  трёхмерное изображение магнитного поля объекта.

По сравнению с  традиционными методами магнитной, ультразвуковой и радиографической дефектоскопии сквид-микроскопия, благодаря сверхвысокой чувствительности, позволяет обнаруживать скрытые, значительно меньшие по размерам, глубоко погруженные в материал дефекты, даже под защитным слоем. Она позволяет также обнаруживать очень слабые коррозионные и вихревые электрические токи, протекающие в образце, снимать карты токов, которые текут в многослойных электронных платах и в микросхемах. С ее помощью тестируют самые ответственные детали турбин, ракет, самолетов, осуществляют магнитные исследования геологических, минералогических, археологических образцов и проверяют, например, подлинность купюр или важнейших документов, на которые специальными магнитными чернилами нанесены скрытые знаки, и т.п. На таком микроскопе можно проводить не только пассивные, но и активные исследования, когда в исследуемом образце гальваническими, индукционными или другими методами специально возбуждают электрические или магнитные поля и изучают реакции объекта на них.  

Тунне́льный эффект, туннели́рование —преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера.

Эффект  Джозефсона — явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Такой ток называют джозефсоновским током, а такое соединение сверхпроводников — джозефсоновским контактом.