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) . Для длительных измерений усредненных значений в течение нескольких дней можно достичь значений чувствительности в 5⋅10 ⁻¹⁸ Тл .

Принцип работы

Простейший квантовый магнитометр — СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо с двумя джозефсоновскими туннельными контактами. Процессы происходящие в таком устройстве — в некотором смысле аналог оптической интерференцией на двух щелях, 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 волны де-Бройля электронов разделяется на две, каждая из которых проходит свой туннельный контакт, а затем обе волны сходятся вместе. При отсутствии внешнего поля обе ветви будут эквивалентны, и обе волны придут в одной фазе. Но при наличии потока магнитного поля через контур в нём 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 волнами через туннельные 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 . Периодический характер зависимости напряжения от поля позволяет обнаруживать отдельные кванты магнитного потока. Периодический вид зависимости возникает из-за изменения фазы электронной волны на джозефсоновском контакте на ${\displaystyle 2\pi n,}$ где ${\displaystyle n}$ — целое число.

Типы СКВИДов

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 .

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:

${\displaystyle I_{c}=I_{s}\sin \varphi }$

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

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 ${\displaystyle \Phi _{0}}$ . 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 существование 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 . Этот результат вошел в справочники по свойствам элементарных частиц и к настоящему времени вызвал целую серию подобных измерений.

На исключительно высокую чувствительность к магнитному потоку опирается весь спектр медицинских ( магнитоэнцефалография , , магнитный маркерный мониторинг, исследование сердца), технических ( ядерный магнитный резонанс ), горно-геологических ( геофизическая разведка , палеомагнитный метод изучения горных пород) 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 киборгизированный 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 романе 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 упоминаются в фильме « Химическая свадьба », где они являются частью суперкомпьютера, который используется для повторного воплощения Алистера Кроули .

См. также

• Эффект Джозефсона
• Сверхпроводимость

Примечания

Литература

• Корнев В. К. Эффект Джозефсона и его применение в сверхпроводниковой электронике. // Соросовский образовательный журнал , 2001, № 8, с. 83.
• Гольцман Г. Н. Эффекты Джозефсона в сверхпроводниках. // Соросовский образовательный журнал , 2000, № 4, с. 100.
• Воронов В. К., Подоплелов А. В. Современная физика: Учебное пособие. — М.: КомКнига, 2005. — 512 с. ISBN 5-484-00058-0 .