- •Предисловие
- •Введение
- •I. Термины технических сверхпроводников
- •1. Основные понятия
- •Явления магнитного потока
- •2. Критические параметры
- •3. Слабосвязанные сверхпроводники
- •Эффекты Джозефсона
- •4. Устройства на сверхпроводимости
- •II. Термины технической механики
- •Приложение
- •1. Сила Лоренца (fl)
- •2. Закон Видемана-Франца
- •10. Удельная теплоемкость сверхпроводящей фазы (Сs).
- •16. Зависимость индукции от температуры
- •18. Использованные системы единиц измерения
- •19. Основные формулы электромагнетизма
- •Указатель
- •Библиографический список
- •394026 Воронеж, Московский просп.,14
4. Устройства на сверхпроводимости
Переходы Джозефсона в настоящее время, в основном используются в устройствах для обнаружения и измерения магнитного потока, переключателях логических электрических цепей, выcокочастотных генераторах, детекторах и усилителях. Определения и термины, предложенные здесь, составляют основу в использовании СКВИДов в различных областях техники.
СКВИД - сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства, которые использует явления на эффекте Джозефсона для измерения очень малых изменений магнитного потока. В их конструкцию могут включаться один или более переходов Джозефсона (единичный или двойной контакт) соединенные с индуктивностью. СКВИДы обычно используются в системах электронных приборов для измерения малых сигналов. Эти системы используются в магнитометрах, градиометрах, а также в качестве чувствительных элементов напряжения постоянного тока и низкой частоты и как датчики тока.
Если часть петли СКВИДа имеет нормальное электросопротивление, т.е. включен элемент из нормального металла, то тогда используется термин резистивный СКВИД (иногда реСКВИД). СКВИД же с множеством отверстий (многодырочный или фракционно-витковый) имеет ряд сверхпроводящих петель, соединенных параллельно через один (или два) сверхпроводящий переход. Эта конструкция дает малую общую индуктивность при одинаковой площади поперечного сечения. Термины интерферометр Джозефсона, квантовый интерферометр или просто интерферометр часто заменяют друг друга совместно с термином СКВИД. В общем, нет четкого различия, но СКВИД часто используют в качестве датчика магнитного поля, а также в измерительных устройствах других параметров.
CКВИДы на одном точечном контакте показаны на рис.23 (а) и (б). На рис.23, б – изображен резистивный СКВИД, он имеет резистивный участок с токовым смещением. Как и в туннельных переходах, сверхпроводники А и В необязательно должны быть выполнены из одного материала. На рис.23, в показан СКВИД с двумя тонкопленочными переходами.
С верхпроводящее кольцо с двумя устройствами Джозефсона со слабыми связями (рис.23, в), называется СКВИДом постоянного тока. Критический ток в переходе с двумя слабыми связями является колебательной функцией приложенного потока, пронизывающего кольцо с периодичностью в один квант потока. СКВИД обычно находится в состоянии, поддерживаемом малым напряжением с постоянно-токового смещения. Определение приложенного магнитного потока обычно связано с измерением напряжения СКВИДом методом модуляции переменного тока.
Другим типом СКВИДа постоянного тока является SLUG (то есть Сверхпроводящим низкоиндуктивный Волновой Гальванометр – СЛАГ).
Этот СКВИД изготавливают путем покрытия небольшого участка ниобиевой проволоки припоем Sn-Pb в виде шарика. Ток, который нужно измерить проходит по этой проволоке. Переходы, образованные у краев припоя приводят к тому, что критический ток является периодической функцией поля, создаваемого приложенным током.
ВЧ СКВИД используется в основном в виде кольца, в котором включена одна слабая связь (рис. 23,а). ВЧ импеданс СКВИДа является колебательной функцией внешнего магнитного потока, с периодом в один квант. Изменения этого потока, обусловленные приложенным магнитным полем, вызывают изменения сигнала в резонансном контуре тока.
Параметр гистерезиса ВЧ СКВИДа определяется уравнением:
Β ≡ LI0/θ0 . (20)
Это, по существу, величина максимального потока, который может входить в СКВИД, не превышая критический ток перехода. Если β < 1 фаза через переход способна непрерывно настраиваться на изменение приложенного потока. Если β>1 , то поток, входящий в СКВИД и выходящий из него, прерывается, вызывая гистерезисные потери.
В большинстве применений, чувствительных к потоку, устройства, описанные выше, действуют как СКВИД с блокированным (запирающим) потоком (flux-locked СКВИД). Сигнал, пропорциональный выходу, действует по обратной связи на катушку модуляции СКВИДа, поэтому полный поток в СКВИДе поддерживается при постоянной величине и СКВИД действует по-существу как нулевой детектор.
Параметры, такие как чувствительность, пределы шумов, индуктивность и ёмкость для степени СКВИДов зависят в основном от особой внешней электрической цепи, использованной в устройстве и её эксплуатационной частоты, а также от типа перехода и формы СКВИДа.
Чувствительность потока - определяется током обратной связи и представляет изменение в один квант потока в приложенном потоке. Помехи, присущие устройству, обычно представлены как мощность помех потока Sф, которая измеряется в единицах θо2Гц-1. Система обычной конструкции, где поток пронизывает сверхпроводящую катушку с известным коэффициентом связи и может считаться оценкой качества, связанной с минимальным разрешением энергии на один Гц. Выражение для энергетической чувствительности можно записать:
, (21)
которая выражается в Дж·Гц-1. Это дает надежный в настоящее время метод сравнения чувствительности СКВИДа. Типичные значения варьируются от 10-28 до 10-32 Дж· Гц-1 . Другой параметр системы, с помощью которого измеряется скорость вращения, при изменении потока СКВИДа без размыкания системы. Единицами измерения являются кванты потока в секунду θ0S-1сек-1 с типичными значениями от 104 - до 106 θ0S-1 сек-1 . Когда устройства Джозефсона используются как логические элементы, то необходимы характеристики переключения (коммутации). Коммутирующим напряжением является усредненное по времени напряжение, которое существует в гистерезисном устройстве Джозефсона, оно от состояния с нулевым значением повышается последовательно до значения конечного. Если, например, к устройству приложено постоянно-токовое смещение Ig<Im (Im-пороговый ток, определенный ранее), но Im затем понижается до величины Im< Ig, тогда рабочая точка перехода будет перемещаться по линии нагрузки цепи. Усредненное по времени напряжение через переход (Н) будет увеличиваться, пока рабочая точка не подойдет к пересечению характеристики нагрузки (линии нагрузки) с ВА характеристикой постоянного тока. На рис.24 показаны характеристики нагрузки сопротивления R1 и R2 наложенные на ВА характеристики туннельного перехода Джозефсона, что вызывает запирание перехода, когда напряжение устройств а должно возвратиться к нулю, до того как будет произведена следующая логическая операция. Характеристика нагрузки R2 приводит к включению при напряжении менее, чем Umin, что является самым малым значением при устойчивом режиме. При этом в режиме «открыто» переход возвращается к положению нулевого напряжения.
Время переключения относится к полному времени, между входным сигналом контура, контролирующего устройства Джозефсона и выходным при возвращении коммутирующего напряжения. Основной нижний предел времени переключения равен приблизительно ~ 0,5 пс. Тем не менее, в ныне существующих устройствах время переключения имеет три составляющих, зависящие от его параметров.
- RС (резистивно-емкостное) время перехода или интерферометр частот имеет доминирующий вклад во время переключения.
- Индуктивность кольца и резисторов в демпфированных интерферометрах также вносит вклад во временную задержку L/R.
- Задержка на включение важна при небольших нагрузках, как например, для интерферометра на двух переходах куда входит время, определяемое разностью фаз в двух переходах для достижения критического значения, также как время для средних фаз для переноса полупериода джозефсоновских (плазменных) осцилляции.
Криотрон на сверхпроводимости. Криотроном называется начальный класс сверхпроводящих логических устройств. Переключение от сверхпроводящего к нормальному состоянию осуществляется как магнитным полем, так и электрическим током или температурой. Устройство обладает очень малым сопротивлением в непроводящем состоянии. Переключатель туннельного перехода Джозефсона впоследствии стал называться туннельным криотроном. В этих устройствах логическая ячейка криотрона заменена тонкопленочным переходом Джозефсона, который управляется магнитным полем.
В заключении этого раздела отметим, что материал охватывает основные термины технической сверхпроводимости, которые студенты могут использовать не только в своем общении с лектором и другими преподавателями этого цикла, но и необходимыми при выполнении контрольных заданий в подготовке инженеров по специальности 140401 «Техника и физика низких температур». Достаточно подробные пояснения ко всем терминам позволяют пользоваться им как студентам в качестве дополнительного учебного пособия, так и всем тем, кто интересуется сверхпроводимостью и ее возможностями.
Ниже дается список наиболее распространенных физических терминов в количестве 65 наименований, который приводится в справочнике.
- идеальное состояние (фаза Мейснера),
- сверхпроводящее состояние (S),
- нормальное состояние (N),
- гиперпроводник,
- глубина проникновения (λ),
- лондоновская глубина проникновения (λL),
- длина когерентности (ξ),
- длина когерентности Пиппарда (ξ0),
- параметр Гинзбурга-Ландау (æ),
- локальный или лондоновский предел,
- мейснеровское состояние,
- смешанное состояние (фаза Шубникова),
- промежуточное состояние,
- сверхпроводник 1 рода,
- сверхпроводник 2 рода,
- грязный (жесткий) сверхпроводник,
- бесщелевой сверхпроводник,
- магнитный поток,
- квант потока,
- флюксоид,
- вихрь Абрикосова (вихрь потока),
- захваченный (замороженный) поток,
- движение потока,
- поверхностный барьер,
- пиннинг потока,
- крип потока,
- течение потока,
- скачки потока,
- лавина потока,
- тепловое распространение,
- критическая температура (Тс),
- резистивный переход,
-фазовый переход,
- сверхпроводящий (N-S) переход,
- критическая температура (перехода) Тс,
- критическое магнитное поле (Нс),
- термодинамическое критическое поле (Нст),
- нижнее (первое) критическое поле (Нс1),
- верхнее (второе) критическое поле (Нс2),
- поверхностное (третье) критическое поле(Нс3 ),
- критический ток (Iс),
- плотность критического тока (jc),
- сверхпроводящий (постоянный) ток (Is),
- явление деградации,
- фазовая диаграмма,
- энергетическая щель (2Δ0),
- слабосвязанные сверхпроводники,
- туннелирование,
- эффекты Джозефсона,
- эффект Джозефсона на постоянном токе,
- эффект Джозефсона на переменном токе,
- переход на точечном контакте,
- микромостик,
- сверхпроводящий туннельный переход,
- настраиваемые слабые связи,
- ступеньки (скачки) Джозефсона,
- параметры джозефсоновского перехода,
- джозефсоновская глубина проникновения (λj),
- вихрь Джозефсона (флаксон),
- критический ток перехода (Icj),
- устройства на сверхпроводимости,
- СКВИД,
- чувствительность потока,
- время переключения,
- криотрон на сверхпроводимости.