Простейший сквид

Рассмотрим сверхпроводящее кольцо, сделанное из толстого сверхпроводящего провода, замкнутое через джозефсоновский контакт (см. рис. 5.9а) [39, 40]. Джозефсоновский ток через контакт весьма чувствителен к величине магнитного поля в кольце. Используя это свойство эффекта Джозефсона, можно измерять магнитное поле с высокой точностью. Кольцо с джозефсоновским контактом является простейшим примером сквида (от английского сокращения SQUID - superconducting quantum interference device, т. е. сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство). Сквид - прибор, измеряющего магнитное поле с высокой точностью.

Чувствительность современных сквид-магнетометров достигает рекордно высокой величины 5∙ 10^-33 Дж/Гц (чувствительность по магнитному полю - 10-13 Тл). Примечательно, что чувствительность метода не зависит от уровня сигнала, на фоне которого проводятся измерения, это позволяет надежно регистрировать малые изменения намагниченности на фоне большой статической величины. Для сравнения магнитное поле Земли в среднем составляет 5∙ 10^-5 Тл.

Кроме простейшего SIS контакта, аналогичными ему свойствами обладают:

а) SIN контакт (N - нормальный металл) (рис. 5.10);

Рис. 5.10. SIN контакт а) и б) зависимость D от координаты

Б) SINIS контакт (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Пространственная зависимость модуля параметра

порядка в SINIS контакте

в) слабая связь между двумя сверхпроводниками (рис. 5.12)

Рис. 5.12. Слабая связь в виде сужения между сверхпроводниками. L - характерная длина связи

5.3.2 Нестационарный эффект Джозефсона

В рассмотренном выше разделе сверхпроводящий ток через контакт протекал даже в отсутствии приложенного напряжения. Такой ток не вызывает потерь энергии на Джоулево тепло и называется поэтому бездиссипативным.

При пропускании через контакт тока, который превышает критическую величину, на контакте возникает падение напряжения U, и контакт при этом начинает излучать электромагнитные волны. При этом частота такого излучения определяется из закона сохранения энергии: энергия кванта электромагнитного излучения должна быть равна энергии, которую приобретает куперовская пара, проходя разность потенциалов U :

ω =2eU/ ħ, или (5.8)

где е - заряд электрона, ħ — постоянная Планка.

Возникновение излучения связано с тем, что объединённые в пары электроны, создающие сверхпроводящий ток, при переходе через контакт приобретают избыточную по отношению к основному состоянию сверхпроводника энергию 2eU. Единственная возможность для пары электронов вернуться в основное состояние — это излучить квант электромагнитной энергии ħ ω = 2eU.

Излучать электромагнитные волны может только переменный ток - именно такой ток течет сквозь контакт Джозефсона при постоянном падении напряжения U на контакте. Частота излучения n связана с U соотношением (5.8). Эффект Джозефсона указывает на существование в сверхпроводниках электронной упорядоченности - фазовой когерентности. Экспериментальное обнаружение этого тока доказывает, что в природе существуют макроскопические явления, непосредственно определяемые фазой волновой функции.

Аналогичный эффект наблюдается, когда сверхпроводники соединены тонкой перемычкой (мостиком или точечным контактом типа рис. 5.12), а также если между ними находится тонкий слой металла в нормальном состоянии или полупроводника (SINIS контакт рис. 5.11). Такие системы вместе с SIS контактами Джозефсона называются слабосвязанными сверхпроводниками.

Применение в Сквид магнетометрах параллельно включенных слабые связи между сверхпроводниками повышает их чувствительность. Слабосвязанные сверхпроводники могут быть также использованы в качестве быстродействующих элементов логических устройств ЭВМ, параметрических преобразователей, чувствительных детекторов СВЧ, усилителей и др. электронных приборов и т.д.

Применение сквид-магнетометров в настоящее время очень широко. С их помощью определяют дефекты типа раковин в газопроводах и в нефтепроводах. Методика обнаружения дефектов основана на измерении искажений магнитного поля Землю металлическими трубами. Если в трубе имеется раковина или толщина стенки уменьшается, то этот дефект меняет картину магнитного поля и может быть обнаружен. Магнитометр может быть установлен на автомобиле, движущемся вдоль трассы трубопровода.

Другим важным направлением применения сквид-магнетометров является измерение магнитного поля человека (ауры). В настоящее время экспериментально доказано, что вокруг человека образуется слабое электромагнитное поле, быстро убывающее с расстоянием. По состоянию этого магнитного поля можно судить о заболеваниях человека. Наличие собственного магнитного поля и чувствительного к магнитной индукции белка криптохрома в принципе объясняет способность птиц к ориентированию по магнитному полю Земли. В глазах человека также содержится этот белок, что может объяснить способность человека к ориентации и «шестому» чувству магнитного зрения слепых.

С появлением сквид-магнетометров в медицине возникло навое направление диагностики состояния человека – магнитокардиография.