КАЛЬМАР

Тип магнитометра

Чувствительный элемент СКВИДа, 2008 г.

СКВИД ( сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор ) — это очень чувствительный магнитометр, используемый для измерения чрезвычайно слабых магнитных полей , основанный на сверхпроводящих петлях, содержащих джозефсоновские переходы .

СКВИДы достаточно чувствительны, чтобы измерять поля всего лишь 5×10−18 ^Тл при усредненных измерениях в течение нескольких дней. ^[1] Их уровень шума составляет всего 3 ф Тл· Гц ^{− 1 ⁄ 2} . ^[2] Для сравнения, типичный магнит холодильника производит 0,01 Тесла (10−2 ^Тл ), а некоторые процессы в животных производят очень малые 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 на порядки больше размеры (~1 см ³ ) и должны работать в магнитном поле, близком к нулю.

История и дизайн

Существует два основных типа СКВИДов: постоянного тока (DC) и радиочастотных (RF). RF СКВИДы могут работать только с одним переходом Джозефсона ( сверхпроводящий туннельный переход ), что может сделать их производство более дешевым, но они менее чувствительны.

DC-СКВИДА

Схема DC SQUID. Ток входит и разделяется на два пути, каждый с токами и . Тонкие барьеры на каждом пути являются джозефсоновскими переходами, которые вместе разделяют две сверхпроводящие области. представляет собой магнитный поток, пронизывающий контур DC SQUID. ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I_{a}}$ ${\displaystyle I_{b}}$ ${\displaystyle \Phi }$

Электрическая схема СКВИДа, где — ток смещения, — критический ток СКВИДа, — поток, пронизывающий СКВИД, — отклик напряжения на этот поток. Символы X представляют переходы Джозефсона . ${\displaystyle I_{b}}$ ${\displaystyle I_{0}}$ ${\displaystyle \Phi }$ ${\displaystyle V}$

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, . ${\displaystyle n\cdot \Phi _{0}}$ ${\displaystyle n+{\frac {1}{2}}\cdot \Phi _{0}}$ ${\displaystyle \Phi _{0}}$

DC SQUID был изобретен в 1964 году Робертом Яклевичем, Джоном Дж. Лэмбом, Джеймсом Мерсеро и Арнольдом Сильвером из Ford Research Labs ^[3] после того, как Брайан Джозефсон постулировал эффект Джозефсона в 1962 году, а первый переход Джозефсона был создан Джоном Роуэллом и Филиппом Андерсоном в Bell Labs в 1963 году. ^[4] Он имеет два перехода Джозефсона, соединенных параллельно в сверхпроводящей петле. Он основан на эффекте Джозефсона постоянного тока. При отсутствии какого-либо внешнего магнитного поля входной ток разделяется на две ветви поровну. Если к сверхпроводящей петле приложено небольшое внешнее магнитное поле, экранирующий ток, , начинает циркулировать по петле, которая генерирует магнитное поле, нейтрализуя приложенный внешний поток, и создает дополнительную фазу Джозефсона, которая пропорциональна этому внешнему магнитному потоку. ^[5] Индуцированный ток имеет то же направление, что и в одной из ветвей сверхпроводящей петли, и противоположен направлению в другой ветви; общий ток становится в одной ветви и в другой. Как только ток в любой ветви превышает критический ток, , перехода Джозефсона , 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 он не превысит , половину кванта магнитного потока . Поскольку поток, заключенный в сверхпроводящую петлю, должен быть целым числом квантов потока, вместо того, чтобы экранировать поток, СКВИД теперь энергетически предпочитает увеличить его до . Теперь ток течет в противоположном направлении, противодействуя разнице между допущенным потоком и внешним полем чуть более . 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 каждые 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. Напряжение в этом случае является функцией приложенного магнитного поля и периода, равного . Поскольку вольт-амперная характеристика постоянного тока СКВИДа является гистерезисной, для устранения гистерезиса к переходу подключается шунтирующее сопротивление (в случае высокотемпературных сверхпроводников на основе оксида меди собственного сопротивления перехода обычно достаточно). Экранирующий ток представляет собой приложенный поток, деленный на самоиндукцию кольца. Таким образом, его можно оценить как 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 соотношениям, приведенным выше, это подразумевает также небольшие 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 порядок один. ^[8] ${\displaystyle i_{c}}$ ${\displaystyle \lambda }$

РЧ СКВИД

Прототип SQUID

RF SQUID был изобретен в 1967 году Робертом Яклевичем, Джоном Дж. Лэмбом, Арнольдом Сильвером и Джеймсом Эдвардом Циммерманом в Ford. ^[7] Он основан на эффекте переменного тока Джозефсона и использует только один переход Джозефсона. Он менее чувствителен по сравнению с DC SQUID, но его дешевле и проще производить в меньших количествах. Большинство фундаментальных измерений в биомагнетизме , даже чрезвычайно малых сигналов, были выполнены с использованием RF SQUID. ^{[9] [10]} RF SQUID индуктивно связан с резонансным контуром. ^[11] В зависимости от внешнего магнитного поля, поскольку SQUID работает в резистивном режиме, эффективная индуктивность контура контура изменяется, тем самым изменяя резонансную частоту контура контура. Эти измерения частоты можно легко выполнить, и, таким образом, потери, которые появляются как напряжение 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]} ${\displaystyle \Phi _{0}}$

Использованные материалы

Традиционными сверхпроводящими материалами для СКВИДов являются чистый ниобий или свинцовый сплав 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 SQUID были разработаны в конце 1980-х годов. ^[14] Они сделаны из высокотемпературных сверхпроводников , в частности YBCO , и охлаждаются жидким азотом , который дешевле и проще в обращении, чем жидкий гелий. Они менее чувствительны, чем обычные низкотемпературные SQUID, но достаточно хороши для многих приложений. ^[15]

В 2006 году было показано доказательство концепции датчиков CNT-SQUID, построенных с алюминиевой петлей и однослойным углеродным нанотрубчатым переходом Джозефсона. ^[16] Датчики имеют размер несколько 100 нм и работают при 1К или ниже. Такие датчики позволяют подсчитывать спины. ^[17]

В 2022 году был построен СКВИД на основе двухслойного графена, скрученного под магическим углом (MATBG) ^{[18] [19]}

Использует

Внутреннее устройство раннего SQUID, около 1990 г.

Чрезвычайная чувствительность SQUID делает их идеальными для исследований в области биологии. Например, магнитоэнцефалография (МЭГ) использует измерения от массива SQUID, чтобы делать выводы о нейронной активности внутри мозга. Поскольку SQUID могут работать со скоростью сбора данных, намного превышающей самую высокую временную частоту интереса в сигналах, испускаемых мозгом (кГц), MEG достигает хорошего временного разрешения. Другая область, где используются SQUID, — это магнитогастрография , которая занимается регистрацией слабых магнитных полей желудка. Новым применением SQUID является метод мониторинга магнитных маркеров , который используется для отслеживания пути перорально применяемых лекарств. В клинической среде SQUID используются в кардиологии для визуализации магнитного поля (MFI), которая обнаруживает магнитное поле сердца для диагностики и стратификации риска.

Вероятно, наиболее распространенное коммерческое использование SQUID — это системы измерения магнитных свойств (MPMS). Это готовые системы, производимые несколькими производителями, которые измеряют магнитные свойства образца материала, температура которого обычно составляет от 300 мК до 400 К. ^[20] С уменьшением размера датчиков SQUID с последнего десятилетия, таким датчиком можно оснастить наконечник зонда AFM . 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 с обнаружением СКВИДом использует измерительные поля, которые лежат в диапазоне микротесла. В обычной системе МРТ сигнал масштабируется как квадрат частоты измерения (и, следовательно, поля прецессии): одна степень частоты исходит из тепловой поляризации спинов при температуре окружающей среды, в то время как вторая степень поля исходит из того факта, что индуцированное напряжение в приемной катушке пропорционально частоте прецессирующей намагниченности. Однако в случае ненастроенного обнаружения СКВИДом предполяризованных 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 СКВИДом имеет преимущества перед системами МРТ с высоким полем, такие как низкая стоимость, необходимая для создания такой системы, и ее компактность. Принцип был продемонстрирован путем визуализации человеческих конечностей, и его будущее применение может включать скрининг опухолей. ^[22]

Другое применение — сканирующий SQUID-микроскоп , который использует SQUID, погруженный в жидкий гелий, в качестве зонда. Использование SQUID в разведке нефти , разведке полезных ископаемых , ^[23] прогнозировании землетрясений и геотермальной энергетической разведке становится все более распространенным по мере развития сверхпроводниковой технологии; они также используются в качестве точных датчиков движения в различных научных приложениях, таких как обнаружение гравитационных волн . ^[24] SQUID — это датчик в каждом из четырех гироскопов, используемых на Gravity Probe B для проверки пределов общей теории относительности . ^[1]

Для наблюдения динамического эффекта Казимира впервые был использован модифицированный РЧ СКВИД . ^{[25] [26]}

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

Датчики переходного края

Одной из самых больших областей применения СКВИДов является считывание сверхпроводящих датчиков края перехода . Сотни тысяч мультиплексированных СКВИДов, соединенных с датчиками края перехода, в настоящее время используются для изучения реликтового излучения , для рентгеновской астрономии , для поиска темной материи, состоящей из слабо взаимодействующих массивных частиц , и для спектроскопии на источниках синхротронного света .

Холодная темная материя

Продвинутые SQUIDS, называемые почти квантово-ограниченными SQUID-усилителями, составляют основу эксперимента Axion Dark Matter Experiment (ADMX) в Вашингтонском университете. Аксионы являются главными кандидатами на холодную темную материю . ^[28]

Предлагаемые варианты использования

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

SQUID используются в суперпарамагнитной релаксометрии (SPMR), технологии, которая использует высокую чувствительность SQUID-датчиков к магнитному полю и суперпарамагнитные свойства наночастиц магнетита . ^{[30] [31]} Эти наночастицы являются парамагнитными; они не имеют магнитного момента до тех пор, пока не подвергнутся воздействию внешнего поля, в котором они становятся ферромагнитными. После удаления намагничивающего поля наночастицы распадаются из ферромагнитного состояния в парамагнитное состояние с постоянной времени, которая зависит от размера частиц и того, связаны ли они с внешней поверхностью. Измерение распадающегося магнитного поля с помощью SQUID-датчиков 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. Ran, Shannon K'doah (2004). Gravity Probe B: Exploring Einstein's Universe with Gyroscopes (PDF) . NASA . стр. 26. Архивировано (PDF) из оригинала 16 мая 2008 г.
2. D. Drung; C. Assmann; J. Beyer; A. Kirste; M. Peters; F. Ruede & Th. Schurig (2007). "Высокочувствительные и простые в использовании датчики SQUID" (PDF) . IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 17 (2): 699–704. Bibcode :2007ITAS...17..699D. doi :10.1109/TASC.2007.897403. S2CID  19682964. Архивировано из оригинала (PDF) 19 июля 2011 г.
3. RC Jaklevic; J. Lambe; AH Silver & JE Mercereau (1964). «Эффекты квантовой интерференции в туннелировании Джозефсона». Physical Review Letters . 12 (7): 159–160. Bibcode : 1964PhRvL..12..159J. doi : 10.1103/PhysRevLett.12.159.
4. Андерсон, П.; Роуэлл, Дж. (1963). «Вероятное наблюдение эффекта сверхпроводящего туннелирования Джозефсона». Physical Review Letters . 10 (6): 230–232. Bibcode : 1963PhRvL..10..230A. doi : 10.1103/PhysRevLett.10.230.
5. "Лекции Фейнмана по физике, том III, гл. 21: Уравнение Шредингера в классическом контексте: семинар по сверхпроводимости, раздел 21–9: Джозефсоновский переход". feynmanlectures.caltech.edu . Получено 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 название ( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
7. J. Clarke и AI Braginski (ред.) (2004). Справочник SQUID . Том 1. Wiley-Vch.
8. A.TH.AM de Waele & R. de Bruyn Ouboter (1969). «Квантовые интерференционные явления в точечных контактах между двумя сверхпроводниками». Physica . 41 (2): 225–254. Bibcode :1969Phy....41..225D. doi :10.1016/0031-8914(69)90116-5.
9. Романи, GL; Уильямсон, SJ; Кауфман, L. (1982). «Биомагнитное приборостроение». Обзор научных приборов . 53 (12): 1815–1845. Bibcode : 1982RScI...53.1815R. doi : 10.1063/1.1136907. PMID  6760371.
10. Стерникель, К.; Брагинский, А.И. (2006). «Биомагнетизм с использованием СКВИДов: статус и перспективы». Наука и технологии сверхпроводников . 19 (3): S160. Bibcode : 2006SuScT..19S.160S. doi : 10.1088/0953-2048/19/3/024. S2CID  122140082.
11. Нисенофф, М.; Вольф, С. (1 сентября 1975 г.). «Наблюдение члена $cos\ensuremath{\varphi}$ в соотношении тока и фазы для слабой связи типа «Дайем», содержащейся в сверхпроводящем квантовом интерференционном устройстве с радиочастотным смещением». Physical Review B . 12 (5): 1712–1714. doi :10.1103/PhysRevB.12.1712.
12. SN Erné; H.-D. Hahlbohm; H. Lübbig (1976). "Теория сверхпроводящего квантового интерференционного устройства с радиочастотным смещением для негистерезисного режима". J. Appl. Phys . 47 (12): 5440–5442. Bibcode :1976JAP....47.5440E. doi : 10.1063/1.322574 .
13. Кларк, Джон (август 1994 г.). «SQUIDs». Scientific American . 271 (2): 46–53. Bibcode : 1994SciAm.271b..46C. doi : 10.1038/scientificamerican0894-46. JSTOR  24942801. Получено 18 августа 2022 г.
14. MS Colclough, CE Gough et al, Радиочастотная работа SQUID с использованием керамического высокотемпературного сверхпроводника, Nature 328, 47 (1987)
15. LP Lee et al., Монолитный 77K DC SQUID магнитометр, Applied Physics Letters 59, 3051 (1991)
16. Клеузиу, Ж.-П.; Вернсдорфер, В. (2006). «Устройство квантовой интерференции на основе сверхпроводящей углеродной нанотрубки». Nature Nanotechnology . 1 (октябрь): 53–59. Bibcode : 2006NatNa...1...53C. doi : 10.1038/nnano.2006.54. PMID  18654142. S2CID  1942814.
17. Aprili, Marco (2006). «The nanoSQUID makes its debut». Nature Nanotechnology . 1 (октябрь): 15–16. Bibcode : 2006NatNa...1...15A. doi : 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. Получено 15 ноября 2022 г.
20. Кляйнер, Р.; Келле, 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, А. Т.; Мюк, М.; Ричардс, П. Л. "Глава 8.3". Ядерный магнитный и квадрупольный резонанс и магнитно-резонансная томография . стр. 56–81.в Кларк и Брагински 2006
23. P. Schmidt; D. Clark; K. Leslie; M. Bick; D. Tilbrook & C. Foley (2004). "GETMAG — магнитный тензорный градиентометр SQUID для разведки полезных ископаемых и нефти". Exploration Geophysics . 35 (4): 297–305. Bibcode : 2004ExG....35..297S. doi : 10.1071/eg04297. S2CID  14994533.
24. Пайк, Хо Дж. "Глава 15.2". "Сверхпроводящий преобразователь для детекторов гравитационных волн" в [томе 2] "Справочника по SQUID: Применение SQUID и систем SQUID" . стр. 548–554.в Кларк и Брагински 2006
25. «Первое наблюдение динамического эффекта Казимира». Обзор технологий .
26. Wilson, CM (2011). «Наблюдение динамического эффекта Казимира в сверхпроводящей цепи». Nature . 479 (7373): 376–379. arXiv : 1105.4714 . Bibcode :2011Natur.479..376W. doi :10.1038/nature10561. PMID  22094697. S2CID  219735.
27. "Not Magic Quantum" (PDF) . Lanl.gov . Июль 2016 г. Архивировано (PDF) из оригинала 29 июля 2016 г. Получено 26 октября 2021 г.
28. Поиск аксионов в микроволновом резонаторе с помощью кальмара Автор: ADMX; SJ Sztalos, G Carlos, C Hagman, D Kinion, K van Bibber, M Hotz, L Rosenberg, G Rybka, J Hoskins, J Hwang, P Sikivie, DB Tanner, R Bradley, J Clarke; Phys.Rev.Lett. 104:041301; 2010
29. Уэллетт, Дженнифер. «Датчики SQUID проникают на новые рынки» (PDF) . The Industrial Physicist. стр. 22. Архивировано из оригинала (PDF) 18 мая 2008 г.
30. Флинн, Э. Р.; Брайант, Х. К. (2005). «Биомагнитная система для визуализации рака in vivo». Physics in Medicine and Biology . 50 (6): 1273–1293. Bibcode : 2005PMB....50.1273F. doi : 10.1088 / 0031-9155/50/6/016. PMC 2041897. PMID  15798322. 
31. De Haro, Leyma P.; Karaulanov, Todor; Vreeland, Erika C.; Anderson, Bill; Hathaway, Helen J.; Huber, Dale L.; Matlashov, Andrei N.; Nettles, Christopher P.; Price, Andrew D. (1 октября 2015 г.). «Магнитная релаксометрия в применении к чувствительному обнаружению и локализации рака». Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik . 60 (5): 445–455. doi : 10.1515/bmt-2015-0053 . ISSN  1862-278X. OSTI  1227725. PMID  26035107. S2CID  13867059.
32. Hathaway, Helen J.; Butler, Kimberly S.; Adolphi, Natalie L.; Lovato, Debbie M.; Belfon, Robert; Fegan, Danielle; Monson, Todd C.; Trujillo, Jason E.; Tessier, Trace E. (1 января 2011 г.). «Обнаружение клеток рака молочной железы с использованием целевых магнитных наночастиц и сверхчувствительных датчиков магнитного поля». Breast Cancer Research . 13 (5): R108. doi : 10.1186/bcr3050 . ISSN  1465-542X. PMC 3262221. PMID 22035507  . 

Ссылки

• Кларк, Джон; Брагински, Алекс И., ред. (2006). Справочник SQUID: Применение SQUID и систем SQUID . Том 2. Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40408-7.