В.В. Шмидт - Введение в физику сверхпроводников (1119327), страница 27
Текст из файла (страница 27)
25.9). Из этого графика следует, что наша схема чувствует изменения измеряемого потока Фт с чувствительностью, много лучшей одного кванта потока. Теоретический анализ чувствительности современных ВЧ-сквидов показал, что возможно создание приборов с чувствительностью порядка 10 Фе при времени измерения не меньше одной секун- — 6 ды. Наиболее практически удобным (и наиболее распространенным) оказался одноконтактный сквид конструкции Циммермана 165 525.
СКВИДЫ Рис. 25.11. К задаче 25.2. Внешний источник тока задает полный ток Х, часть которого Х„ идет по кольцу, а часть Х1 — через джозефсоновский переход. (рис. 25.10). Джозефсоновский переход в нем выполнен в виде точечного прижимного контакта. Приемная катушка Т и катушка индуктивности контура К (см. рис.25.6) вводятся в два отверстия сканда. Задача 25.1. Индуктивность кольца одноконтактного интерферометрз равна 2 10 ~ Гн. До какой величины нужно уменьшить критический ток перехода, чтобы зависимость Ф от Ф, стала безгнстерезисной? Ошвеш. Если критический ток перехода меньше величины Фо/(2эй) = = 0,1бб мкА, зависимость Ф от Ф, будет безгистереэнсной. Задача 25.2.
Джоэефсоновскнй ЯМБ-переход с критическим током Х, = 1 мкА замыкает сверхпроводящее кольцо с нндуктивностью Ь = 10 е Гн. Внешний источник задает полный ток, часть которого (Х = 0.4 мкА) течет по кольцу, а часть (Хэ) — через джозефсоновский переход (рис. 25.11). Найти полный ток 1. Решение. Разность фаз на переходе 1л определяет величину тока по кольцу; т = 2хХ1„/Фе, а ток через переход равен Хэ = Х„зш И. Полный ток 1 = 1.34 мкА. Рис. 25.12.
К задаче 25.3. Задача 25.3. Сверхпроводящее кольцо, индуктивность которого Х, = = 10 ~ Гн, замкнуто на джозефсоновскнй ЯИЯ-переход с критическим током Х, = 1 мкА. На противоположной стороне кольца (см. рис, 25.12) сделан разрез, к которому подключен источник тока, создающий в кольце ток Х = = 0.4 мкА. Чему равна разность фэз волновой функции флв между точками .4 и В? Построить график зависимости тока от разности фээ 1ялв ГЛ.
1Ч. СЛАБАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ 1бб Рис. 25.13. Ответ к задаче 25.3. Зависимость тока от разности фаз точек А и В. Звездочкой отмечена искомая разность фаз удв = 1.60 рад. Ответа. ~рзв = 1.бб рад, см, рис. 25,13. 3 26. Применения слабой сверхпроводимости Рассмотренное в этой главе удивительно красивое физическое явление — слабая сверхпроводимость — нашло множество способов практического использования.
Рассмотрим некоторые из них. Мы уже знаем, что если через джозефсоновский переход пропускать ток, больший критического, напряжение на переходе будет иметь переменную составляющую. Частота этой составляющей будет определяться соотношением 122.8). Нетрудно сообразить, что если теперь переход поместить во внешнее высокочастотное поле,то если частота этого поля совпадает с частотой джозефсоновской генерации, должен возникнуть какой-то резонанс. И действительно, в этом случае вольт-амперная характеристика для усредненных значений тока и напряжения будет иметь вид ступенчатой кривой (рис.
26.1), а расстояния между ступеньками в точности равны йы/2е. Поскольку измерение частоты может быть произведено с очень высокой точностью, а величины й и е являются мировыми постоянными, расстояние между ступеньками тока на вольт-амперной характеристике может быть 126. ПРИМЕНЕНИЯ СЛАБОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ 167 очень точно определено. Это и есть принцип создания стандарта един»щы электрического напряжения — вольта, До открытия эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла стандарт частоты (стандарт времени), основанный на квантовомеханических переходах атомов газов, был единственным фундаментально точным стандартом. Эффекты с кулоновской блокадой в сверхмалых сверхпроводящих туннельных переходах (см.
п.23.2) позволяют связать частоту с электрическим током через величину заряда электрона. Создание на этой основе фундаментального эталона электрического тока вместе с калибровкой Ома с помощью квантового эффекта Холла позволит замкнуть «метрологический треугольник» Вольт-Ампер— Ом и создать совершенную систему электрических стандартов. 1, мкА 100 0 0.5 1.0 У, мВ Рис. 26.1. Вольт-амперная характеристика джозефсоновского перехода: а) без внешнего высокочастотного электромагнитного поля; 6) высокочастотное поле включено. Начальный участок вольт-амперной характеристики не совпадает с осью ординат, потому что на самописец подавалось напряжение с джозефсоновского перехода и включенного с ним последовательно участка нормальной пленки [85].
Сверхпроводящие квантовые интерферометры (сквиды) используются прежде всего как магнетометры. Им доступны для 168 ГЛ. 1Ч. СЛАБАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЪ регистрации изменения магнитного поля порядка 10 и Гс при ширине полосы пропускания устройства, равной 1Гц. Ведется разработка цифровых сквид-магнитометров и сверхмалошумящих сквид-усилителей с шумовой температурой 1.5 К на частоте 750 МГц. Ясно, что использование столь чувствительных приборов открывает совершенно новые возможности в разных областях науки: геологии, геофизике, биофизике и др. Так, например, в последние годы начались исследования магнитных полей сердца и мозга человека — так называемых магнитокардиограмм и магнитоэнцефаяограмм. Кардиоэнцефалограммы позволяют исследовать магнитограммы сердца и мозга человека и даже его плода в процессе развития (исследование плода совершенно недоступно электрокардиографии).
На очереди создание магнитотомографии, использующей компьютерную обработку сигналов многочисленных датчиков, закрепленных на различных частях тела и фиксирующих биомагнитные поля человека. Магнито— томография способна предоставлять информацию не только о состоянии органов, но и о процессах их жизнедеятельности. Другим примером устройства для визуализации распределения магнитных полей, создаваемых различными физическими и биологическими объектами, является сканирующий сквид-микроскоп с разрешением по магнитной индукции лучше 0.1 Гс и пространственным разрешением лучше 100 мкм. Использование сканда в качестве нуль-прибора в обычной мостиковой схеме позволяет создать вольтметр с чувствительностью около 10 ш В. Такие приборы уже используются в физических лабораториях. Уже сейчас джозефсоновские элементы используются в различного рода СВЧ-приборах для приема и преобразования электромагнитного излучения в микроволновом диапазоне.
Криоэлектронные генераторы и приемники излучения миллиметрового и субмилли метр оного диапазона волн, основанные на сверхпроводящих джозефсоновских переходах, необходимы для рад иоастрономических исследований и мониторинга окружающей среды, осуществляемых с борта спутников или специальных самолетов. В этом случае вес, размеры и тепловыделение бортовых систем играют решающую 126. ПРИМЕНЕНИЯ СЛАБОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ 169 роль, а создание низких температур не составляет проблем. Эти устройства, использующие движение квантов магнитного потока, обладают лучшими шумовыми характеристиками в диапазоне 100 —: 1000 ГГц.
Уровень шумов (шумовая темпера тура) в современных сверхпроводящих туннельных приемниках близок к фундаментальному квантовому пределу и составляет около 600К на частоте 500ГГц. В частности, существует опыт использования джозефсоновского перехода в качестве чувствительного элемента в радиотелескопе. Укажем, наконец, на возможность использования джозефсоновских переходов в качестве элементов памяти и логических элементов в электронных вычислительных устройствах и современных телекоммуникационных системах. Их применение открывает путь не только к очередному шагу в миниатюризации электронных элементов, но и к совершенно новым принципам обработки и передачи данных. Информационные технологии в настоящее время встречаются со множеством серьезных проблем, главными из которых являются увеличение интеграции и плотности размещения элементов без ухудшения характеристик, понижение энергопотребления (энерговыделения), обеспечение простых архитектурных решений.
Концепции схемного конструирования, используемые в традиционной полупроводниковой технологии, не могут бесконечно воспроизводиться во все меньших масштабах, и использование принципиально новых подходов становится неизбежным. Использование Быстрой Одноквантовой Логики (БОК, или в английской транскрипции ВВР16 — гарЫ 61пя1е Йпх с1пап$пш), основанной на сверхпроводящих контурах, включающих джозефсоновские переходы, позволяет вести обработку сигналов с рекордными тактовыми частотами, превышающими 100 ГГц, при экстремально низком уровне диссипации энергии. Единицей информации, переносимой при каждом переключении, является квант магнитного потока, и, таким образом, БОК-элемент является одновременно и логическим элементом, и элементом памяти.
В области телекоммуникационной техники использование криоэлектронных генераторов и приемников, базирующихся на слабосвязанных сверхпроводниковых (джозеф- 170 ГЛ. 1Ч СЛАБАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ соновских) структурах, позволит достигнуть предельно низких уровней шума и энергопотребления при рабочих частотах в терагерцовом (101~ Гц) диапазоне. Длинномасштабная квантовая когерентность, демонстрируемая сверхпроводниковыми устройствами (см.
п.23.3), открывает качественио новые направления в разработке квантовых логических элементов для будущих поколений суперкомпьютеров. На основе двумерных сеток джоэефсоновских переходов может быть создан также новый тип компьютерной памяти, строящийся не на основе традиционной бинарной логики, а использующий ассоциативную, распределенную по всей структуре, систему памяти (по типу нейронных сетей живых организмов). Такая структура будет способиа сравнивать поступающее воздействие с наиболее близким аналогом из набора собственных состояний системы, т. е.
распознавать образы и принимать оперативные решения без перебора вариантов, например, осуществлять экономическое прогнозирование в реальном времени. Прогресс в области технологии высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) позволяет надеяться на скорое появление более дешевых и простых в эксплуатации ВТСП-систем. Несомненно, что практическое использование слабой сверхпроводимости будет в ближайшие годы расширяться и вряд ли сейчас можно предсказать, какие удивительные результаты от этого последуют. ГЛАВА 'Ч СВЕРХПРОВОДНИКИ ВТОРОГО РОДА 9 27.
Введение Впервые термин «сверхпроводник второго рода» был введен А. А. Абрикосовым [86] в его классической работе (1957,', в которой на базе теории ГЛ была дана последовательная феноменологическая теория сверхпроводников второго рода и объяснены их магнитные свойства. Развитие физики сверхпроводников в последующие годы блестяще подтвердило теоретические предсказания. Здесь мы сталкиваемся со случаем, когда развитие очень мощного направления в физике сверхпроводников было предопределено теоретической работой. Больше того, сначала эта работа была встречена с некоторым недоверием, настолько необычны были ее предсказания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
