СКВИД

Измерительная часть СКВИДа.

СКВИД (от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр»; в буквальном переводе с английского squid — «кальмар») — сверхчувствительные магнитометры, используемые для измерения очень слабых магнитных полей. СКВИД-магнитометры обладают рекордно высокой чувствительностью, достигающей 5·10⁻³³ Дж/Гц (чувствительность по магнитному полю — 10⁻¹³ Тл)^[1]. Для длительных измерений усредненных значений в течение нескольких дней можно достичь значений чувствительности в 5·10⁻¹⁸Тл^[2].

Принцип работы

Изменение магнитного потока за счет генерации на Джозефсоновском контакте.

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 в данном случае интерферируют не световые волны, а два джозефсоновских тока. Существенным для понимания работы СКВИДа является наличие волновых свойств у электрона — в СКВИДе волна электронов разделяется на две, каждая из которых проходит свой туннельный контакт, а затем обе волны сводятся вместе. В случае отсутствия внешнего поля обе ветви будут эквивалентны, и обе волны придут без разности фаз. Но при наличии магнитного поля в контуре будет наводиться циркулирующий сверхпроводящий ток. Этот ток в одном из контактов будет вычитаться из постоянного внешнего тока, а во втором — складываться с ним. Теперь две ветви будут иметь разные токи, и 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 $2 \pi n$, где $n$ — целое число.

Типы СКВИДов

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 $n \Phi_0$, а нижняя — $\left( n + 1/2 \right) \Phi_0$.

Справа: зависимость напряжения на контакте от магнитного потока через контур. Период колебаний равен одному кванту потока $\Phi_0$.

Различают два типа СКВИДов — СКВИД на постоянном токе (двухконтактный СКВИД) и высокочастотный СКВИД (одноконтактный СКВИД). СКВИД на постоянном токе был изобретен в 1964 году физиками Robert Jaklevic, John J. Lambe, James Mercereau, и Arnold Silver. Они же вместе с Джеймсом Эдвардом Циммерманом изобрели СКВИД на переменном токе^[3].

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:

$~I_c=I_s\sin\varphi$

$~\hbar\frac{\partial \varphi}{\partial t}=2eV$

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 $\Phi_0$. 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.

СКВИД на переменном токе (ВЧ-СКВИД)

Работа СКВИДа на переменном токе основана на нестационарном эффекте Джозефсона и использует только один джозефсоновский контакт. ВЧ-СКВИД в измерительной технике демонстрирует обычно более высокую чувствительность за счет более высокой трансформации потока от измерительного объёма (образца). Он дешевле и проще в производстве в малых количествах. Значительная часть экспериментов в фундаментальной физике и измерений в биомагнетизме, включая измерение сверхмалых сигналов, были выполнены с использованием СКВИДов на переменном токе.

Использование СКВИДов

Исключительно высокая энергетическая чувствительность (порядка долей постоянной Планка), которой обладают СКВИДы при измерениях магнитных полей, открыла новые возможности в экспериментах фундаментальной физики. Одна из таких задач — оценка возможной величины электрического дипольного момента (ЭДМ) электрона. Общеизвестно, что электроны обладают электрическим зарядом и спином. Эффекты, связанные с нарушением СР- и Т-инвариантности, не запрещают электрону иметь распределение электрического заряда, не совпадающее с распределением его массы, то есть электрический дипольный момент. Различные модели предсказывают сущствование у электрона ЭДМ на уровне от 10⁻²⁰ см на заряд электрона до 10⁻²⁸ см на заряд электрона, а возможно, и ещё меньше. Соответствующие опыты со СКВИДом показали, что ЭДМ у электронов меньше, по крайней мере, 10⁻²² см на заряд электрона^[4]. Этот результат вошел в справочники по свойствам элементарных частиц и к настоящему времени вызвал целую серию подобных измерений.

На исключительнго высокоую чусвстительность к магнитному потоку опирается весь спектр медицинских (магнитоэнцефалография, магнитогастрография, магнитный маркерный мониторинг, исследование сердца) и технических (ядерный магнитный резонанс, геофизическая разведка) применений СКВИДов. Также есть соображения в части применения СКВИДов в квантовом компьютере в качестве кубитов.

Сканирующий СКВИД-микроскоп

В отличие от традиционных магнитометров, в которых СКВИДы используются как пассивные датчики низкочастотного или постоянного магнитного поля, 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.

СКВИДы в фантастике

• Писатель-фантаст Уильям Гибсон использует СКВИДы в рассказе 1981 года «Джонни Мнемоник», где выращенный методом генной инженерии бывший военный дельфин использует СКВИД-имплантат для чтения запоминающего устройства, вживленного в мозг главного героя.
• В фильме «Странные дни» СКВИДы используются для записи и воспроизведения воспоминаний человека, некоторые из которых обмениваются на чёрном рынке.
• В романа Майкла Крайтона 1999 года «В ловушке времени» СКВИДы упоминаются как часть устройства квантовой телепортации, разработанной ITC.
• В романе «RedRobe» Джона Кортни Гримвуда содержится ссылка на СКВИД-зонды, используемые для чтения воспоминаний и мыслей, как части допроса.
• СКВИДы используются как часть полиграфа в романе Нила Стивенсона «Лавина».
• СКВИДы упомниаются в фильме «Химическая свадьба», где они являются частью суперкомпьютера, который используется для повторного воплощения Алистера Кроули.

См. также

• Эффект Джозефсона
• Сверхпроводимость

Примечания

1. ↑ СКВИД-магнетометр
2. ↑ Ran Shannon K’doah Gravity Probe B: Exploring Einstein’s Universe with Gyroscopes. — NASA, 2004. — P. 26.
3. ↑ J. Clarke and A. I. Braginski (Eds.) The SQUID handbook. — Wiley-Vch, 2004. — Vol. 1.
4. ↑ Б. В. Васильев, Е. В. Колычева Измерение электрического дипольного момента электрона с помощью квантового интерферометра // ЖЭТФ. — 1978. — Vol. 74. — С. 466—471.

Литература

• Корнев В. К. Эффект Джозефсона и его применение в сверхпроводниковой электронике. // Соросовский образовательный журнал, 2001, № 8, с. 88.
• Гольцман Г. Н. Эффекты Джозефсона в сверхпроводниках. // Соросовский образовательный журнал, 2000, № 4, с. 100.
• Корнев В. К. Эффект Джозефсона и его применение в сверхпроводниковой электронике // Соросовский образовательный журнал, 2001, № 8, с. 89.
• Воронов В. К., Подоплелов А. В. Современная физика: Учебное пособие. — М.: КомКнига, 2005. — 512 с. ISBN 5-484-00058-0.