СКВИД

СКВИД

[от англ. Superconducting Quantum Interference Device -сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство; сверхпроводящийквантовый интерферометр (магнитометр)] - высокочувствит. устройство дляпреобразования магн. потока в электрич. сигнал пост. или перем. тока, действиек-рого основано на явлении квантования магн. потока в сверхпроводящем кольцес 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 Ф ₀,равным кванту магн. потока Ф ₀ = h/2e =2,068*10^-15 Вб, что связано с фазовой когерентностью сверхпроводящих электронов намакроскопич. расстояниях. Скачок фазы волновой ф-ции сверхпроводящих электроновна КД определяется полным магн. потоком через кольцо (),а сверхпроводящий ток через КД равен =, гдеI _с - критич. ток КД. Пои токе I > I _с на КД появляетсянапряжение

По числу КД в кольце С. и по способу формирования выходного сигналаразличают двухконтактные С. пост. тока (ПТ-С.) и одноконтактные С. с ВЧ-накачкой(ВЧ-С.). В ПТ-С. через КД пропускается пост. ток, больший критич. значенияI_c, и измеряется пост. напряжение на контакте (Ф _x),где Ф _x - измеряемый внеш. магн. поток. В ВЧ-С. высокочастотныйток I _вч в кольце С. возбуждается резонансным контуром, причёмотклик С. V _вч (Ф _х )снимается с этого же контура.

Первым ПТ-С. можно считать устройство, в к-ром Ж. Мерсеро [1] с сотрудникамивпервые 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 конструкциюПТ-С. (токи через КД равны) пропустить через кольцо С. пост. ток , то на параллельно включённых КД возникает пост. напряжение V, осциллирующеепри изменении измеряемого внеш. магн. потока Ф _x, через кольцоС., при этом макс. значения V(Ф _x )достигаются при Ф _x= Ф ₀(n + 1/2), а минимальные - при Ф _x= пФ ₀,п - целое число, макс. размах осцилляции V(Ф) наблюдается при оптим. <значении параметра LI _С/Ф ₀ =1, где L - индуктивность кольца. Коэф. преобразования для оптимизированных ПТ-С. <равен где R - сопротивление шунтированных КД. Шунтирование туннельныхКД применяется для создания безгистерезисной вольтамперной характеристикиконтакта. Современные тонкопланочные планарные ПТ-С., изготовленные методамифото- и электронной литографии, имеют коэф. преобразования до 1 мВ/Ф ₀.

Рис. 1. Схема ПТ-сквида: ИТ - источник постоянного тока; СУ - согласующееустройство; 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 вида1/f (см. Флуктуации электрические )используется модуляц. метод обработкисигнала С.: в отд. катушку модуляции (L_m на рис. 1) вводитсяперем. ток частотой 100-200 кГц, создающий через кольцо С. поток с амплитудой~ Ф ₀/4. Перем. напряжение на С. усиливается, синхронно детектируетсяи фильтруется. Согласование низкого импеданса С. с высоким импедансом усилителяосуществляется согласующим устройством типа последоват. контура или резонансноготрансформатора. Для измерений в большом диапазоне используется глубокая отрицат. обратная связь по магн. потоку. Напряжениечерез сопротивление обратной связи R _ос подаётся в катушку модуляции. <В результате измеряемый поток компенсируется, а напряжение на резистореR _ос служит выходным сигналом прибора, линейно связанным с измеряемымпотоком в диапазоне 100-1000Ф ₀.

Блок-схема типичного ВЧ-С., работающего на фиксиров. частоте радиочастотногодиапазона 10-400 МГц, приведена на рис. 2. С кольцом С. связана катушкарезонансного колебат. контура L_KC_K, возбуждаемогогенератором тока ВЧ. Резонансный контур согласует низкий импеданс С. свысоким входным сопротивлением усилителя ВЧ. В зависимости от параметра различают безгистерезисный (I< 1) и гистерезисный (l Ф _х. Изменение индуктивности регистрируется по сдвигу резонансной частотыконтура L_KC_K. Безгистерезисный режим работыВЧ-С. редко используется в практич. устройствах из-за жёстких ограниченийна параметры С., стабильность амплитуды и частоты сигнала ВЧ-накачки.

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

Если I вч > I _с, приводитк характерным гистерезисным потерям энергии в колебат. контуре, уровеньк-рых осциллирует в зависимости от внеш. потока Ф _х с периодомФ ₀. Соответствующее изменение добротности контура Q регистрируетсяпо изменению напряжения V _вч (Ф _x) на нём. Коэф. преобразованиямагн. потока в напряжение для ВЧ-С. в гистерезисном режиме равен:

где w - частота накачки, k - коэф. связи контура со С. (оптималенk, для к-рого ). Для ВЧ-С. типичны значения коэф. преобразования 20-50 мкВ/Ф ₀.

Для увеличения отношения сигнал/шум и линеаризации коэф. передачи приборав 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_x вовходной 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 шумовогопотока 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 рекордныезначения при измерениях малых переменных Ф _х~0,01 Ф ₀ на частотах 100-200 кГц, где не сказывается шум вида 1/f.

Минимальный детектируемый сигнал ВЧ-С. определяется суммарными шумамиусилителя ВЧ, контура и самого С. В оптимизиров. конструкциях при частотенакачки 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 частотудо 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 трансформаторамагн. потока: сигнальная катушка С. образует замкнутый сверхпроводящийконтур 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 экранированныхпомещениях. По чувствительности С.-магнитометры превосходят традиц. магнитометрына 2-3 порядка. С.-магнитометры применяются, напр., для измерения магнитныхполей биологических объектов[8], магнитометрич. исследований в геофизикеи геологии [9], измерения магн. восприимчивости веществ и материалов.

Применение С. для измерений электрич. величин позволяет достичь пороговойчувствительности по току 10^-12-10^-14 при нулевом сопротивлении сигнальной катушки. По напряжению чувствительностьограничена 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.-гальванометрыслужат в качестве нуль-индикаторов в эталонных установках, к-рые воспроизводятединицу 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 шкалысверхнизких темп-р [5].

Осн. недостатком С., препятствующим их более широкому распространению, <является необходимость охлаждения до уровня гелиевых или водородных темп-рпри применении традиц. сверхпроводящих материалов. Открытие в 1986-87 оксидныхвысокотемпературных 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 froma 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., Quantumstates and transitions in weakly connected superconducting rings, «Phys.Rev.», 1967, v. 157, p. 317; 3) Coлимар Л., Туннельный эффект в сверхпроводникахи его применение, пер. с англ., М., 1974; 4) Лихарев К. К., У л ь р и хБ. Т., Системы с джозефсоновскими контактами, М., 1978; 5) Слабая сверхпроводимость. <Квантовые интерферометры и их применения, пер. с англ., М., 1980; 6) Ба р о н е А., Патерно Д., Эффект Джозефсона: физика и применения, пер. <с англ., М., 1984; 7) Лихарев К. К., Введение в динамику джозефсоновскихпереходов, М., 1985; 8) Введенский В. <Л., Ожогин В. И., Сверхчувствительнаямагнитометрия и биомагнетизм, М., 1986; 9) Одегнал М., Некоторые нестандартныеприменения сверхпроводящих квантовых интерферометров - сквидов (обзор),«Физика низких температур», 1985, т. 11, с. 5; 10) Т e s с h e С. D., Superconductingmagnetometers, «Cryogenics», 1989, v. 29, p. 1135. И. Я. Краспополип.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.