Физические основы СКВИД — микроскопии

Чувствительный элемент сквида представляет собой кольцо из сверхпроводящего материала, содержащее один либо два джозефсоновских контакта. Возможность регистрации магнитных полей схожим устройством базирована на том факте, что ток, текущий в кольце, находится в зависимости от магнитного потока через этот замкнутый контур. 1-ые сверхпроводящие магнитометры были сделаны уже через пару лет после открытия эффекта Джозефсона, в текущее время предельная чувствительность сквидов превосходит 10-14 Тл/Гц1/2.

В магнитном микроскопе эталон сканируется близко размещенным сквидом, в то время как компьютер регистрирует сигнал со сквида зависимо от его положения по отношению к эталону.

Рис. 6.8 Механизм работы СКВИДа

Различают два типа сквидов — СКВИД на неизменном токе (двухконтактный СКВИД) и частотный СКВИД (одноконтактный СКВИД). СКВИД на неизменном токе был придуман в 1964 году физиками Robert Jaklevic, John J. Lambe, James Mercereau, и Arnold Silver . Они же совместно с Джеймсом Эдвардом Циммерманом изобрели СКВИД на переменном токе.

СКВИД на неизменном токе. Простой квантовый магнитометр — СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо с 2-мя джозефсоновскими туннельными контактами. Это в определенном смысле аналог оптического эффекта с интерференцией от 2-ух щелей, только тут интерферируют не световые волны, а два джозефсоновских тока. Значимым для осознания работы СКВИДа является наличие волновых параметров у электрона. В СКВИДе волна электронов делится на две, любая из которых проходит собственный туннельный контакт, а потом обе сводятся совместно. В случае отсутствия наружного поля обе ветки будут эквивалентны и обе волны придут без разности фаз. Но при наличии магнитного поля будет наводиться в контуре циркулирующий сверхпроводящий ток. Этот ток, в одном из контактов будет вычитаться из неизменного наружного тока, а во 2-м — складываться. Сейчас две ветки будут иметь различные токи, меж туннельными контактами возникнет разность фаз. Волны электронов, пройдя через контакты и соединившись, будут интерферировать, интерференция проявится как зависимость критичного тока СКВИДА от приложенного наружного магнитного поля. Ступенчатый нрав зависимости позволяет ощущать отдельные кванты потока. Ступенчатый вид зависимости появляется из-за наличия условия конфигурации фазы электрической волны на джозефсоновском контакте на 2πn, где n — целое число.

Более стабильно сверхпроводящее состояние кольца по отношению к наружному току будет в случаях, когда полный магнитный поток через интерферометр будет равен целому числу квантов потока. Напротив, случай, когда полный поток равен полуцелому числу квантов потока, соответствует неуравновешенному сверхпроводящему состоянию: довольно приложить к интерферометру жалкий ток, чтоб он перебежал в резистивное состояние и чтоб вольтметр нашел напряжение на интерферометре.

СКВИД на переменном токе. Работа СКВИДа на переменном токе базирована на нестационарном эффекте Джозефсона и употребляет только один джозефсоновский контакт. Он наименее чувствителен по сопоставлению со СКВИДом на неизменном токе, но дешевле и проще в производстве в малых количествах. Значимая часть базовых измерений сверхмалых сигналов, были выполнены с внедрением СКВИДов на переменном токе.

Основное внедрение СКВИДа — это измерение слабеньких магнитных полей. На это свойство СКВИДа опирается весь диапазон его применений:

• магнитоэнцефалография;
• магнитогастрография;
• магнитный маркерный мониторинг;
• исследование сердца в медицине;
• ядерный магнитный резонанс в технике, в геологофизической разведке.

Также есть суждения в части внедрения СКВИДов в квантовом компьютере в качестве кубитов, которые создаются наноамперными токами либо магнитными наноразмерными частичками.

1-ые варианты магнитных микроскопов использовали сквиды на базе обычных, низкотемпературных, сверхпроводников. Они работали при температуре водянистого гелия и предназначались для исследования образцов, также находящихся при низкой температуре. Необходимость поддерживать сквид при гелиевой температуре сдерживала обширное применение сквид-микроскопов. Юзеры таких микроскопов испытывали значимые трудности с совмещением и позиционированием сквида относительно эталона, также при загрузке и перезагрузке образцов. Подмена низкотемпературного сквида на сквид на базе высокотемпературных сверхпроводников, сделала вероятной работу устройства при азотных температурах, существенно расширила круг исследовательских работ и стимулировала коммерческое внедрения сквидов.

Очередной шаг к коммерческому применению сквид-микроскопов был изготовлен, когда появились варианты этих устройств, в каких эталон может находиться при комнатной температуре. В их вакуумный объем с охлажденным сквидом отделяется от эталона узким окном из немагнитного материала, к примеру, сапфира; достижимое пространственное разрешение — около 10 мкм.

Более совершенным устройством подобного рода на базе высокотемпературного сквида является южноамериканский магнитный микроскоп CryoTiger. Сквид неизменного тока сделан из YBaCuO, его площадь — 1.2 х 10-9 м2, полевая чувствительность — 17.5 пТл/Гц1/2. Сканирующая система позволяет перемещать сквид относительно исследуемого эталона со скоростью 0.5 — 1 мм/с на площади сканирования 5 х 5 мм2. Плюсами микроскопа являются малые размеры, успешная конструкция и большой срок службы (500 тыщ часов).

Данный микроскоп отлично показал себя при исследовании вихревых токов в железных слоях, закороток меж контактными выводами в сборке интегральной схемы в корпусе, однородности намагниченности пленок магнитных материалов и т.д. На данный момент компания Neocera Inc. выпускает на рынок его коммерческую версию. Стоит отметить, что и в Рф разработана собственная версия сквид-микроскопа.