Пример: Транспортная логистика
Я ищу:
На главную  |  Добавить в избранное  

Радиоэлектроника /

Сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства - СКВИДы

←предыдущая  следующая→
1 2 3 



Скачать реферат


Сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства - СКВИДыМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Пензенский государственный университет

Кафедра «Электрические и электронные аппараты»

Реферат

«Сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства - СКВИДы»

Выполнил: студент группы 02РА1

Заонегин Антон

Александрович

Проверила: Каминская Татьяна

Петровна

Пенза

2005

Содержание

Содержание 2

Введение 3

1 Сверхпроводимость. Основные параметры сверхпроводников 4

2 Эффект Джозефсона. 5

3 Магнитометр 6

4 Сверхпроводящий материал – соединение Nb3Sn 7

5 Получение переходов Джозефсона 8

6 Техническое воплощение 10

6.1 Сканирующий СКВИД- микроскоп 10

6.2 Лазерная СКВИД– микроскопия 13

Литература 15

Введение

Из всех, достаточно многочисленных устройств сверхпроводниковой нелинейной электроники, базирующихся на эффекте Джозефсона, в настоящее время наиболее широко известны магнитометры на основе сверхпроводниковых квантовых интерферометров, так называемых СКВИДов.

В данной работе рассмотрим принцип работы СКВИД и рассмотрим области применения этих высокотехнологичных устройств.

1 Сверхпроводимость. Основные параметры сверхпроводников

Явление сверхпроводимости состоит в том, что при некоторой температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление в некоторых материалах исчезает. Эта температура называется критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов , а также у керамик ( – высокотемпературные сверхпроводники).

Сверхпроводимость материалов с объясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, противоположными спинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки – фононами. Все пары находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат.

Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняется взаимодействием электронов с каким-либо другими квазичастицами.

По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводники делятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода.

Сверхпроводники первого рода при помещении их в магнитное поле «выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю (эффект Мейсснера). Напряженность магнитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим магнитным полем . У сверхпроводников второго рода существует промежуток напряженности магнитного поля , где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии. – нижнее критическое поле, – верхнее критическое поле. – индукция в сверхпроводнике второго рода равна нулю, – сверхпроводимость нарушается. Через идеальные сверхпроводники второго рода можно пропускать ток силой: (критический ток). Объясняется это тем, что поле, создаваемое током, превысит , вихревые нити, зарождающиеся на поверхности образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрь образца с выделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости.

Таблица 1. , , некоторых металлов и соединений:

Вещество

Pb 7.2 0.55

Nb 9.2 0.13 0.27

Te 7.8

V 5.3

Ta 4.4

Sn 3.7

V3Si 17.1 23.4

Nb3Sn 18.2 24.5

Nb3Al 18.9

Nb3Ga 20.3 34.0

Nb3Ge 23.0 37.0

(Y0.6Ba0.4)2CuO4 96 16020

Y1.2Ba0.3CuO4-8 102 18 при 77К

2 Эффект Джозефсона.

Если два сверхпроводника соединить друг с другом «слабым» контактом, например тончайшей полоской из диэлектрика, через него пойдет туннельный сверхпроводящий ток, т.е. произойдет туннелирование сверхпроводящих куперовских пар. Благодаря этому обе системы сверхпроводников связаны между собой. Связь эта очень слаба, т.к. мала вероятность туннелирования пар даже через очень тонкий слой изолятора.

Наличие связи приводит к тому, что в следствии процесса обмена парами состояние обеих систем изменяется во времени. При этом интенсивность и направление обмена определяется разностью фаз волновых функций между системами. Если разность фаз , тогда из законов квантовой механики следует . Энергии в точках по одну и другую сторону барьера и могут отличаться только если между этими точками существует разность потенциалов . В этом случае:

(1)

Если сверхпроводники связаны между собой с одной стороны и разделены слабым контактом с другой, то напряжение на контакте можно вызвать, меняя магнитный поток внутри образовавшегося контура. При этом . Учитывая, что квант потока и поток Ф через контур может быть лишь , где . Джозефсон предсказал, что:

, (2)

где – ток через контакт, – максимальный постоянный джозефсоновский ток через контакт, -- разность фаз.

Из (1), (2) следует:

Поскольку на фазовое соотношение между системами влеяет магнитное поле, то сверхпроводящим током контура можно управлять магнитным полем. В большинстве случаев используется не один джозефсоновский контакт, а контур из нескольких контактов, включенных параллельно, так называемый сверхпроводящий квантовый интерферометр Джозефсона (СКВИД). Величина магнитного поля, необходимого для управления током, зависит от площади контура и может бать очень мала. Поэтому СКВИДы применяют там, где нужна большая чувствительность.

Известны несколько типов джозефсоновских контактов, но наиболее распространены два: туннельный переход и переход типа мостик. Оба они представлены на рисунке 1.

Рисунок 1

3 Магнитометр

Магнитометр - прибор на основе джозевсоновских переходов, применяющийся для измерения магнитного поля и градиента магнитного поля. В магнитометрах используются СКВИДы 2х типов: на постоянном токе и переменном. Рассмотрим магнитометр на СКВДах постоянного тока.

Рисунок 2

Если к такому кольцу приложить поле, то оно будет наводить в кольце циркулирующий сверхпроводящий ток. Он будет вычитаться из постоянного тока в и складываться в . Тогда максимальный ток кольца зависит от магнитного потока и равен:

,

где – ток кольца, – квант потока, – захваченный поток.

При этом

,

где – сопротивление перехода, – индуктивность кольца.

U – достигает нескольких микровольт и может быть измерена обычными электронными приборами.

Рисунок 3

Левая часть рисунка 3: ВАХ сверхпроводящего кольца с 2-мя джозевсоновскими переходами. Правая часть рисунка 3: Зависимость от внешнего потока, где – число квантов потока пронизывающих контур.

Техническая реализация магнитометров на СКВИДе на постоянном токе с 2-мя тунельными переходами представлена на рисунке 4.

Контур СКВИДа образован цилиндрической пленкой из Pb нанесенной на кварцевый цилиндр длинной 18 мм с наружным диаметром 8мм, а внутренним 6мм. Описанная здесь конструкция является датчиком включенным в электрическую схему, обеспечивающую измерение и индикацию отклика датчика на изменение внешнего магнитного поля. Такая система представляет собой магнитометр.

4 Сверхпроводящий материал – соединение Nb3Sn

Соединение Nb3Sn имеет и при 4,2 К. Благодаря таким параметрам можно получить джозефсоновские переходы чувствительные как к малым полям , так и к изменению больших полей . Соединение имеет такую решетку: атомы ниобия расположены в местах, занятых на рисунке и образуют со своими ближайшими соседями три цепочки, перпендикулярные друг – другу:

Рисунок 4

Атомы ниобия в этих цепочках связаны дополнительными ковалентными связями. Цепочки ниобия в кристаллической структуре, для получения сверх проводящих свойств не должны быть нарушены, что может произойти при избытке атомов олова или при недостаточной степени порядка в кристаллической решетке.

Соединение Nb3Sn хрупко и изделие из него не могут бать получены обычным металлургическим путем, т.е. выплавкой с последующей деформацией. Массивные изделия из этого соединения: цилиндры, пластины и т.д. получают, как правило, металлокерамическим методом, т.е. смешивая в соответствующих пропорциях порошки ниобия и олова, прессуя изделия нужной формы и нагревая их до температуры образования химического соединения Nb3Sn, обычно в интервале .

5 Получение переходов Джозефсона

Туннельные переходы Джозефсона представляют собой две тонкие сверхпроводящие пленки разделенные барьерным слоем диэлектрика или полупроводника. Рассмотрим некоторые из методов получения переходов с диэлектрическим барьером. На тщательно очищенную подложку в вакууме наносится первая пленка сверхпроводящего соединения толщиной в несколько тысяч ангстрем.

Нанесение первой пленки осуществляется путем катодного распыления. Схема установки представлена на рисунке 5.

←предыдущая  следующая→
1 2 3 



Copyright © 2005—2007 «Mark5»