КАЛЬМАР

Тип магнитометра

Чувствительный элемент кальмара, 2008 г.

СКВИД ( сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство ) — это очень чувствительный магнитометр, используемый для измерения чрезвычайно слабых магнитных полей , основанный на сверхпроводящих петлях, содержащих джозефсоновские переходы .

СКВИДы достаточно чувствительны, чтобы измерять поля величиной до 5×10 ^-14 Тл за несколько дней усредненных измерений. ^[1] Их уровень шума составляет всего 3 f T· Гц ^{− 1 ⁄ 2} . ^[2] Для сравнения: типичный магнит холодильника производит 0,01 Тл (10 ^-2 Тл), а некоторые процессы в животных создают очень небольшие магнитные поля между 10 ^-9 Тл и 10 ^-6 Тл. Атомные магнитометры SERF , изобретенные в начале 2000-х годов. потенциально более чувствительны и не требуют криогенного охлаждения , но имеют размер на несколько порядков больше (~1 см ³ ) и должны работать в почти нулевом магнитном поле.

История и дизайн

Существует два основных типа СКВИДов: постоянный ток (DC) и радиочастотный (РЧ). Радиочастотные СКВИДы могут работать только с одним джозефсоновским переходом ( сверхпроводящим туннельным переходом ), что может удешевить их производство, но они менее чувствительны.

Кальмар постоянного тока

Схема кальмара постоянного тока. Ток входит и разделяется на два пути, каждый с токами и . Тонкие барьеры на каждом пути представляют собой джозефсоновские переходы, которые вместе разделяют две сверхпроводящие области. представляет собой магнитный поток, проходящий через петлю СКВИДа постоянного тока. ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I_{a}}$ ${\displaystyle I_{b}}$ ${\displaystyle \Phi }$

Электрическая схема СКВИДа, где – ток смещения, – критический ток СКВИДа, – поток, проходящий через СКВИД, и – реакция напряжения на этот поток. X-символы обозначают джозефсоновские контакты . ${\displaystyle I_{b}}$ ${\displaystyle I_{0}}$ ${\displaystyle \Phi }$ ${\displaystyle V}$

Слева: график зависимости тока от напряжения для СКВИДА. Верхняя и нижняя кривые соответствуют и соответственно. Справа: периодическая реакция напряжения из-за потока через СКВИД. Периодичность равна одному кванту потока, . ${\displaystyle n\cdot \Phi _{0}}$ ${\displaystyle n+{\frac {1}{2}}\cdot \Phi _{0}}$ ${\displaystyle \Phi _{0}}$

СКВИД постоянного тока был изобретен в 1964 году Робертом Яклевичем, Джоном Дж. Ламбе, Джеймсом Мерсеро и Арнольдом Сильвером из исследовательских лабораторий Форда ^[3] после того, как Брайан Джозефсон постулировал эффект Джозефсона в 1962 году, а первый переход Джозефсона был создан Джоном Роуэллом и Филип Андерсон из Bell Labs в 1963 году. ^[4] Он имеет два параллельных джозефсоновских перехода в сверхпроводящей петле. Он основан на эффекте Джозефсона постоянного тока. В отсутствие какого-либо внешнего магнитного поля входной ток разделяется поровну на две ветви. Если к сверхпроводящему контуру приложено небольшое внешнее магнитное поле, то экранирующий ток начинает циркулировать по контуру, который генерирует магнитное поле, компенсирующее приложенный внешний магнитный поток, и создает дополнительную джозефсоновскую фазу, пропорциональную этому внешнему магнитному потоку. ^[5] Наведенный ток имеет то же направление, что и в одной из ветвей сверхпроводящей петли, и противоположное направлению в другой ветви; общий ток становится и в одной ветви, и в другой. Как только ток в любой из ветвей превышает критический ток джозефсоновского перехода , на переходе появляется напряжение. ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I_{s}}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I/2+I_{s}}$ ${\displaystyle I/2-I_{s}}$ ${\displaystyle I_{c}}$

Теперь предположим, что внешний поток увеличивается до тех пор , пока не превысит половину кванта магнитного потока . Поскольку поток, охватываемый сверхпроводящей петлей, должен представлять собой целое число квантов потока, вместо экранирования потока СКВИД теперь энергетически предпочитает увеличивать его до . Ток теперь течет в противоположном направлении, противодействуя разнице между допустимым потоком и внешним полем чуть более 0,000 . Ток уменьшается по мере увеличения внешнего поля, равен нулю, когда поток равен точно , и снова меняет направление по мере дальнейшего увеличения внешнего поля. Таким образом, ток периодически меняет направление, каждый раз, когда поток увеличивается на дополнительное полуцелое кратное , с изменением при максимальной силе тока каждое полуцелое кратное и при нулевом токе каждое целое кратное. ${\displaystyle \Phi _{0}/2}$ ${\displaystyle \Phi _{0}}$ ${\displaystyle \Phi _{0}}$ ${\displaystyle \Phi _{0}/2}$ ${\displaystyle \Phi _{0}}$ ${\displaystyle \Phi _{0}}$ ${\displaystyle \Phi _{0}}$

Если входной ток больше , то СКВИД всегда работает в резистивном режиме. Таким образом, напряжение в этом случае является функцией приложенного магнитного поля и периода, равного . Поскольку вольт-амперная характеристика СКВИДа постоянного тока является гистерезисной, для устранения гистерезиса к переходу подключается шунтирующее сопротивление (в случае высокотемпературных сверхпроводников на основе оксида меди собственного внутреннего сопротивления перехода обычно достаточно). Экранирующий ток представляет собой приложенный поток, деленный на самоиндукцию кольца. Таким образом , можно оценить функцию преобразователя потока в напряжение ^{[6] [7]} следующим образом: ${\displaystyle I_{c}}$ ${\displaystyle \Phi _{0}}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle \Delta \Phi }$ ${\displaystyle \Delta V}$

${\displaystyle \Delta V=R\cdot \Delta I}$

${\displaystyle 2\cdot \Delta I=2\cdot {\frac {\Delta \Phi }{L}}}$, где – собственная индуктивность сверхпроводящего кольца ${\displaystyle L}$

${\displaystyle \Delta V={\frac {R}{L}}\cdot \Delta \Phi }$

Обсуждение в этом разделе предполагало идеальное квантование потока в контуре. Однако это справедливо только для больших контуров с большой самоиндукцией. Согласно приведенным выше соотношениям это подразумевает также малые изменения тока и напряжения. На практике самоиндукция контура не так велика. Общий случай можно оценить, введя параметр ${\displaystyle L}$

${\displaystyle \lambda ={\frac {i_{c}L}{\Phi _{0}}}}$

где критический ток СКВИДа. Обычно имеет первый порядок. ^[8] ${\displaystyle i_{c}}$ ${\displaystyle \lambda }$

РФ кальмар

Прототип кальмара

Радиочастотный кальмар был изобретен в 1965 году Робертом Яклевичем, Джоном Дж. Ламбе, Арнольдом Сильвером и Джеймсом Эдвардом Циммерманом в компании Ford. ^[7] Он основан на эффекте Джозефсона переменного тока и использует только один переход Джозефсона. Он менее чувствителен по сравнению со СКВИДом постоянного тока, но дешевле и его легче производить в меньших количествах. Большинство фундаментальных измерений биомагнетизма , даже чрезвычайно слабых сигналов, были выполнены с использованием радиочастотных СКвидов. ^{[9] [10]} RF СКВИД индуктивно связан с резонансным контуром резервуара. ^[11] В зависимости от внешнего магнитного поля, поскольку СКВИД работает в резистивном режиме, эффективная индуктивность бакового контура изменяется, тем самым изменяя резонансную частоту бакового контура. Эти измерения частоты можно легко выполнить, и, таким образом, потери, которые проявляются в виде напряжения на нагрузочном резисторе в цепи, являются периодической функцией приложенного магнитного потока с периодом . Для точного математического описания обратитесь к оригинальной статье Эрне и др. ^{[6] [12]} ${\displaystyle \Phi _{0}}$

Используемые материалы

Традиционными сверхпроводящими материалами для СКВИДов являются чистый ниобий или сплав свинца с 10% золота или индия , поскольку чистый свинец нестабилен при многократном изменении его температуры. Для поддержания сверхпроводимости все устройство должно работать в пределах нескольких градусов от абсолютного нуля , охлаждаясь жидким гелием . ^[13]

Высокотемпературные датчики СКВИДов были разработаны в конце 1980-х годов. ^[14] Они изготовлены из высокотемпературных сверхпроводников , в частности YBCO , и охлаждаются жидким азотом , который дешевле и с ним легче обращаться, чем жидкий гелий. Они менее чувствительны, чем обычные низкотемпературные СКВИДы, но достаточно хороши для многих применений. ^[15]

В 2006 году было продемонстрировано доказательство концепции датчиков CNT-SQUID, построенных на основе алюминиевой петли и джозефсоновского перехода из одностенных углеродных нанотрубок . ^[16] Размер сенсоров составляет несколько 100 нм, и они работают при разрешении 1K или ниже. Такие датчики позволяют считать вращения. ^[17]

В 2022 году СКВИД был построен на двухслойном графене, скрученном под магическим углом (MATBG) ^{[18] [19]}

Использование

Внутреннее устройство раннего кальмара, около 1990 года.

Чрезвычайная чувствительность кальмаров делает их идеальными для изучения биологии. Магнитоэнцефалография (МЭГ), например, использует измерения множества кальмаров, чтобы сделать выводы о нейронной активности внутри мозга. Поскольку СКВИДы могут работать со скоростью сбора данных, намного превышающей максимальную временную частоту сигналов, излучаемых мозгом (кГц), MEG достигает хорошего временного разрешения. Другая область использования кальмаров — магнитогастрография , которая занимается регистрацией слабых магнитных полей желудка. Новым применением кальмаров является метод мониторинга магнитных маркеров , который используется для отслеживания пути перорально применяемых лекарств. В клинической практике СКВИДы используются в кардиологии для визуализации магнитного поля (MFI), которая обнаруживает магнитное поле сердца для диагностики и стратификации риска.

Вероятно, наиболее распространенное коммерческое использование СКВИДов — в системах измерения магнитных свойств (MPMS). Это готовые системы, изготовленные несколькими производителями, которые измеряют магнитные свойства образца материала. Обычно это делается в диапазоне температур от 300 мК до примерно 400 К. ^[20] С уменьшением размера датчиков СКВИДа за последнее десятилетие таким датчиком можно оборудовать кончик зонда АСМ . Такое устройство позволяет одновременно измерять шероховатость поверхности образца и локальный магнитный поток. ^[21]

Например, СКВИДы используются в качестве детекторов для проведения магнитно-резонансной томографии (МРТ). В то время как МРТ с высоким полем использует поля прецессии от одного до нескольких тесла, МРТ, обнаруженная с помощью СКВИДа, использует поля измерения, которые лежат в диапазоне микротесла. В обычной системе МРТ сигнал масштабируется как квадрат частоты измерения (и, следовательно, поля прецессии): одна степень частоты возникает из-за тепловой поляризации спинов при температуре окружающей среды, а вторая степень поля возникает из-за того, что индуцированное напряжение в пикап-катушке пропорционально частоте прецессирующей намагниченности. Однако в случае ненастроенного обнаружения СКВИДом преполяризованных спинов сила сигнала ЯМР не зависит от поля прецессии, что позволяет обнаруживать сигнал МРТ в чрезвычайно слабых полях порядка магнитного поля Земли. МРТ с обнаружением СКВИДа имеет преимущества перед системами МРТ с высоким полем, такие как низкая стоимость, необходимая для создания такой системы, и ее компактность. Этот принцип был продемонстрирован при визуализации конечностей человека, и его будущее применение может включать скрининг опухолей. ^[22]

Другое применение — сканирующий СКВИД-микроскоп , в котором в качестве зонда используется СКВИД, погруженный в жидкий гелий . Использование СКВИДов в разведке нефти , разведке полезных ископаемых , ^[23] прогнозировании землетрясений и геотермальных энергетических исследованиях становится все более распространенным по мере развития сверхпроводниковой технологии; они также используются в качестве прецизионных датчиков движения в различных научных приложениях, таких как обнаружение гравитационных волн . ^[24] СКВИД — это датчик в каждом из четырёх гироскопов, используемых на гравитационном зонде B для проверки пределов общей теории относительности . ^[1]

Модифицированный радиочастотный СКВИД был впервые использован для наблюдения динамического эффекта Казимира . ^{[25] [26]}

СКВИДы, построенные из переохлажденных ниобиевых проволочных петель, используются в качестве основы квантового компьютера D-Wave Systems 2000Q . ^[27]

Датчики переходного края

Одним из наиболее распространенных применений СКВИДов является считывание сверхпроводящих датчиков переходного края . Сотни тысяч мультиплексированных СКВИДов, соединенных с датчиками переходного края, в настоящее время используются для изучения космического микроволнового фона , для рентгеновской астрономии , для поиска темной материи, состоящей из слабо взаимодействующих массивных частиц , и для спектроскопии на источниках синхротронного света .

Холодная темная материя

Усовершенствованные СКВИДЫ, называемые усилителями СКВИДов с почти квантовым ограничением, составляют основу Аксионного эксперимента с темной материей (ADMX) в Вашингтонском университете. Аксионы — главный кандидат на роль холодной темной материи . ^[28]

Предлагаемое использование

Существует потенциальное военное применение для использования в противолодочной войне в качестве детектора магнитных аномалий (MAD), устанавливаемого на морские патрульные самолеты . ^[29]

СКВИДы используются в суперпарамагнитной релаксометрии (СПМР), технологии, которая использует высокую чувствительность датчиков СКВИДов к магнитному полю и суперпарамагнитные свойства наночастиц магнетита . ^{[30] [31]} Эти наночастицы являются парамагнитными; у них нет магнитного момента до тех пор, пока они не подвергнутся воздействию внешнего поля, где они становятся ферромагнитными. После снятия намагничивающего поля наночастицы переходят из ферромагнитного состояния в парамагнитное состояние с постоянной времени, которая зависит от размера частиц и того, связаны ли они с внешней поверхностью. Измерение затухающего магнитного поля с помощью датчиков СКВИДа используется для обнаружения и локализации наночастиц. Приложения для SPMR могут включать обнаружение рака. ^[32]

Смотрите также

• Эффект Ааронова – Бома
• Электромагнетизм
• Геофизика
• Макроскопические квантовые явления

Примечания

1. Ран, Шеннон К'доа (2004). Гравитационный зонд B: исследование Вселенной Эйнштейна с помощью гироскопов (PDF) . НАСА . п. 26. Архивировано (PDF) из оригинала 16 мая 2008 г.
2. Д. Друнг; К. Ассманн; Дж. Бейер; А. Кирсте; М. Питерс; Ф. Рюде и Т. Шуриг (2007). «Высокочувствительные и простые в использовании датчики СКВИДа» (PDF) . Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 17 (2): 699–704. Бибкод : 2007ITAS...17..699D. дои : 10.1109/TASC.2007.897403. S2CID  19682964. Архивировано из оригинала (PDF) 19 июля 2011 года.
3. RC Яклевич; Дж. Ламбе; А. Х. Сильвер и Дж. Э. Мерсеро (1964). «Эффекты квантовой интерференции в джозефсоновском туннелировании». Письма о физических отзывах . 12 (7): 159–160. Бибкод : 1964PhRvL..12..159J. doi :10.1103/PhysRevLett.12.159.
4. Андерсон, П.; Роуэлл, Дж. (1963). «Вероятное наблюдение эффекта сверхпроводящего туннелирования Джозефсона». Письма о физических отзывах . 10 (6): 230–232. Бибкод : 1963PhRvL..10..230A. doi : 10.1103/PhysRevLett.10.230.
5. «Лекции Фейнмана по физике, том III, глава 21: Уравнение Шредингера в классическом контексте: семинар по сверхпроводимости, раздел 21–9: Джозефсоновский переход» . feynmanlectures.caltech.edu . Проверено 8 января 2020 г.
6. Э. дю Тремоле де Лашессери, Д. Жиньу и М. Шленкер (редакторы) (2005). Магнетизм: материалы и приложения . Том. 2. Спрингер. {{cite book}}: |author=имеет общее имя ( справка )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
7. Дж. Кларк и А. И. Брагинский (ред.) (2004). Справочник по СКВИДУ . Том. 1. Вили-Вч.
8. ATHAM де Вале и Р. де Брюин Уботер (1969). «Квантовые интерференционные явления в точечных контактах двух сверхпроводников». Физика . 41 (2): 225–254. Бибкод : 1969Phy....41..225D. дои : 10.1016/0031-8914(69)90116-5.
9. Романи, GL; Уильямсон, С.Дж.; Кауфман, Л. (1982). «Биомагнитная аппаратура». Обзор научных инструментов . 53 (12): 1815–1845. Бибкод : 1982RScI...53.1815R. дои : 10.1063/1.1136907. ПМИД  6760371.
10. Стерникель, К.; Брагинский, А.И. (2006). «Биомагнетизм с использованием кальмаров: состояние и перспективы». Сверхпроводниковая наука и технология . 19 (3): С160. Бибкод : 2006SuScT..19S.160S. дои : 10.1088/0953-2048/19/3/024. S2CID  122140082.
11. Нисенофф, М.; Вольф, С. (1 сентября 1975 г.). «Наблюдение члена $cos\ensuremath{\varphi}$ в токо-фазовом соотношении для слабой связи типа «Дайем», содержащейся в сверхпроводящем квантовом интерференционном устройстве с радиочастотным смещением». Физический обзор B . 12 (5): 1712–1714. doi :10.1103/PhysRevB.12.1712.
12. С. Н. Эрне; Х.-Д. Хальбом; Х. Люббиг (1976). «Теория сверхпроводящего квантового интерференционного устройства с радиочастотным смещением для негистерезисного режима». Дж. Прил. Физ . 47 (12): 5440–5442. Бибкод : 1976JAP....47.5440E. дои : 10.1063/1.322574 .
13. Кларк, Джон (август 1994 г.). «кальмары». Научный американец . 271 (2): 46–53. Бибкод : 1994SciAm.271b..46C. doi : 10.1038/scientificamerican0894-46. JSTOR  24942801 . Проверено 18 августа 2022 г.
14. М. С. Колклаф, CE Gough и др., Работа радиочастотного СКВИДа с использованием керамического высокотемпературного сверхпроводника, Nature 328, 47 (1987).
15. LP Lee и др., Монолитный магнитометр СКВИДа постоянного тока 77K, Applied Physics Letters 59, 3051 (1991)
16. Клеузиу, Ж.-П.; Вернсдорфер, В. (2006). «Сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство из углеродных нанотрубок». Природные нанотехнологии . 1 (октябрь): 53–59. Бибкод : 2006NatNa...1...53C. дои : 10.1038/nnano.2006.54. PMID  18654142. S2CID  1942814.
17. Априли, Марко (2006). «NanoSQUID дебютирует». Природные нанотехнологии . 1 (октябрь): 15–16. Бибкод : 2006NatNa...1...15A. дои : 10.1038/nnano.2006.78. PMID  18654132. S2CID  205441987.
18. Портолес, Элиас; Ивакири, Шуичи; Чжэн, Джулия; Рикхаус, Питер; Танигучи, Такаши; Ватанабэ, Кендзи; Ин, Томас; Энслин, Клаус; де Врис, Фолкерт К. (24 октября 2022 г.). «Настраиваемый монолитный СКВИД в скрученном двухслойном графене». Природные нанотехнологии . 17 (11): 1159–1164. arXiv : 2201.13276 . Бибкод : 2022NatNa..17.1159P. дои : 10.1038/s41565-022-01222-0. ISSN  1748-3395. PMID  36280761. S2CID  246430218.
19. «Новый квантовый компонент из графена». ethz.ch.​ 3 ноября 2022 г. Проверено 15 ноября 2022 г.
20. Кляйнер, Р.; Коэлле, Д.; Людвиг, Ф.; Кларк, Дж. (2004). «Сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства: современное состояние и применение». Труды IEEE . 92 (10): 1534–1548. doi :10.1109/JPROC.2004.833655. S2CID  20573644.
21. "Микроскопия микрокальмаров - Институт NÉEL" . neel.cnrs.fr.​
22. Кларк, Дж.; Ли, АТ; Мук, М.; Ричардс, П.Л. «Глава 8.3». Ядерный магнитный и квадрупольный резонанс и магнитно-резонансная томография . стр. 56–81.в Кларке и Брагински, 2006 г.
23. П. Шмидт; Д. Кларк; К. Лесли; М. Бик; Д. Тилбрук и К. Фоли (2004). «GETMAG — магнитный тензорный градиентометр SQUID для разведки полезных ископаемых и нефти». Разведочная геофизика . 35 (4): 297–305. дои : 10.1071/eg04297. S2CID  14994533.
24. Пайк, Хо Дж. «Глава 15.2». «Сверхпроводниковый преобразователь для детекторов гравитационных волн» в [том 2] «Справочника по СКВИДам: Применение СКВИДов и СКВИД-систем» . стр. 548–554.в Кларке и Брагински, 2006 г.
25. «Первое наблюдение динамического эффекта Казимира». Обзор технологий .
26. Уилсон, CM (2011). «Наблюдение динамического эффекта Казимира в сверхпроводящей цепи». Природа . 479 (7373): 376–379. arXiv : 1105.4714 . Бибкод : 2011Natur.479..376W. дои : 10.1038/nature10561. PMID  22094697. S2CID  219735.
27. «Не волшебный квант» (PDF) . Lanl.gov . Июль 2016 г. Архивировано (PDF) из оригинала 29 июля 2016 г. Проверено 26 октября 2021 г.
28. Поиск аксионов в микроволновой полости на основе кальмаров с помощью ADMX; С. Дж. Шталос, Дж. Карлос, К. Хэгмэн, Д. Кинион, К. ван Биббер, М. Хотц, Л. Розенберг, Г. Рыбка, Дж. Хоскинс, Дж. Хванг, П. Сикиви, Д. Б. Таннер, Р. Брэдли, Дж. Кларк; Phys.Rev.Lett. 104:041301; 2010 год
29. Уэллетт, Дженнифер. «Датчики кальмаров проникают на новые рынки» (PDF) . Промышленный физик. п. 22. Архивировано из оригинала (PDF) 18 мая 2008 г.
30. Флинн, скорая помощь; Брайант, ХК (2005). «Биомагнитная система для визуализации рака in vivo». Физика в медицине и биологии . 50 (6): 1273–1293. Бибкод : 2005PMB....50.1273F. дои : 10.1088/0031-9155/50/6/016. ПМК 2041897 . ПМИД  15798322. 
31. Де Аро, Лейма П.; Карауланов, Тодор; Вриланд, Эрика К.; Андерсон, Билл; Хэтэуэй, Хелен Дж.; Хубер, Дейл Л.; Матлашов Андрей Н.; Неттлс, Кристофер П.; Прайс, Эндрю Д. (1 октября 2015 г.). «Магнитная релаксометрия применительно к чувствительному обнаружению и локализации рака». Биомедицинская инженерия/Биомедицинская техника . 60 (5): 445–455. дои : 10.1515/bmt-2015-0053 . ISSN  1862-278X. OSTI  1227725. PMID  26035107. S2CID  13867059.
32. Хэтэуэй, Хелен Дж.; Батлер, Кимберли С.; Адольфи, Натали Л.; Ловато, Дебби М.; Белфон, Роберт; Феган, Даниэль; Монсон, Тодд С.; Трухильо, Джейсон Э.; Тессье, Трейс Э. (1 января 2011 г.). «Обнаружение клеток рака молочной железы с использованием направленных магнитных наночастиц и сверхчувствительных датчиков магнитного поля». Исследование рака молочной железы . 13 (5): Р108. дои : 10.1186/bcr3050 . ISSN  1465-542X. ПМК 3262221 . ПМИД  22035507. 

Рекомендации

• Кларк, Джон; Брагинский, Алекс И., ред. (2006). Справочник по SQUID: Применение SQUID и SQUID-систем . Том. 2. Вайли-ВЧ. ISBN 978-3-527-40408-7.