Сверхпроводящие материалы в электронике. Магнитометр на СКВИДах

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       j=j1 - j2, тогда из квантовой механики следует   . Энергии в точках по одну и другую сторону барьера Е1 и Е2 могут отличаться только если между этими точками существует разность потенциалов Us. 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 nФ0, где n=0,±1,±2,±3,... Джозефсон предсказал, что  (2)

Где:

                   Is – ток через контакт

                   Ic – максимальный постоянный джозефсоновский ток         через контакт

                   j -- 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 следующие:

                        изолятор                               

                        » 1нм                                 сверхпроводники

        туннельный  переход                                 переход  типа «мостик»

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.

                                                   I

                               A                       B                       U

                     переходы

                     джозефсоновские

Если к такому кольцу приложить поле, то оно будет наводить в кольце циркулирующий сверхпроводящий ток. Он будет вычитаться из постоянного тока I в А и складываться в В. Тогда  максимальный ток кольца зависит от магнитного потока Ф и равен:   Ic – ток кольца, Ф0 – квант потока, Ф – захваченный поток. При этом    R – сопротивление перехода, l – индуктивность кольца. DU – достигает нескольких микровольт и может быть измерена обычными электронными приборами.

  I                                                             Imax

         nФ0

             (n+1/2)Ф0

                                  U                                                           n                  

Рисунок слева: ВАХ сверхпроводящего кольца с 2-мя джозевсоновскими переходами.

Рисунок справа: Зависимость Imax от внешнего потока

n – число квантов потока пронизывающих контур.

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

                                                                 Кварцевая трубка

                                                                 Полоска из Pb

                                                                  Платиновый электрод

                                                                   Pb

                                                                   Джозефсоновские

                                                                    переходы

                                                                    Платиновый электрод

                                                                 Контур СКВИДа

                                                            образован цилиндрической

                       пленкой из Pb нанесенной на кварцевый цилиндр

                       длинной 18 мм с наружным диаметром 8мм, а      

                           внутренним 6мм.

                                                Описанная здесь конструкция яв-

2 мм                            ляется датчиком включенным в электри- 

                                       ческую схему, обеспечивающую изме-

                                         рение и индикацию отклика датчика

                 1.5мм                на изменение внешнего магнитного

                                                    поля. Такая система представляет со-

600нм                                    600нм                бой магнитометр.

                                              20 нм

4. Сверхпроводящий материал – соединение Nb3Sn.

Соединение Nb3Sn имеет Тк=18.2К и Нк2=18.5 МА/m (m0Нк=23Тл) при 4.2К. Благодаря таким параметрам можно получить джозефсоновские переходы чувствительные как к малым полям     10-17Тл, так и к изменению больших полей »1Тл. Соединение имеет такую решетку: атомы ниобия расположены в местах, занятых       на рисунке и образуют со своими ближайшими соседями три цепочки, перпендикулярные друг – другу:

                                                                         Nb

                                                                          Sn

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. Диаграмма фазового равновесия системы Nb-Sn  приведена на рисунке:

toC

2500

                    a+ж    2000

2000

              a                                                                                      Ж

1500                               Nb3Sn3

             a+Nb3Sn                                      910-920

1000

                      Nb3Sn                                                         840-860

  500                              805-820  NbSn7                        232-234

Nb  0    10    20    30    40    50    60    70    80    90    100    Sn 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 960-1200O.

5. Получение джозефсоновских переходов.

Джозефсоновские туннельные переходы  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.

4

1

                                                                                       6

            2            3                   5

1. Катод

2. Распыляющий газ

3. К вакуумному насосу

4. Держатель с подложкой

5. Постоянное напряжение 4 кВ

6. ВЧ – генератор 3-300 МГц

1	2	3