Сквид. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Сквид [от англ. Superconducting Quantum Interference Device - сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство; сверхпроводящий квантовый интерферометр (магнитометр)] - высокочувствит. устройство для преобразования магн. потока в электрич. сигнал пост. или перем. тока, действие к-рого основано на явлении квантования магн. потока в сверхпроводящем кольце с включёнными в него контактами Джозефсона (КД; см. Джозефсона эффект ).В результате интерференции сверхпроводящих токов, при изменении магн. потока Ф через кольцо С. выходной сигнал осциллирует с периодом Ф₀, равным кванту магн. потока Ф₀ = h/2e = 2,068*10^-15 Вб, что связано с фазовой когерентностью сверхпроводящих электронов на макроскопич. расстояниях. Скачок фазы волновой функции сверхпроводящих электронов на КД

определяется полным магн. потоком через кольцо (

), а сверхпроводящий ток через КД равен

, где I_с - критич. ток КД. Пои токе I > I_с на КД появляется напряжение

По числу КД в кольце С. и по способу формирования выходного сигнала различают двухконтактные С. пост. тока (ПТ-С.) и одноконтактные С. с ВЧ-накачкой (ВЧ-С.). В ПТ-С. через КД пропускается пост. ток, больший критич. значения I_c, и измеряется пост. напряжение на контакте (Ф_x), где Ф_x - измеряемый внеш. магн. поток. В ВЧ-С. высокочастотный ток I_вч в кольце С. возбуждается резонансным контуром, причём отклик С. V_вч(Ф_х)снимается с этого же контура.

Первым ПТ-С. можно считать устройство, в к-ром Ж. Мерсеро [1] с сотрудниками впервые в 1964 наблюдали квантовую интерференцию сверхпроводящих токов [1]. В 1967 Дж. Циммерман [2] и А. Силвер [2], изучая на перем. токе интерференц. эффекты в сверх-проводящем кольце с точечным КД [2], положили начало ВЧ-С.

Блок-схема ПТ-С. приведена на рис. 1. Если через симметричную конструкцию ПТ-С. (токи через КД равны) пропустить через кольцо С. пост. ток

, то на параллельно включённых КД возникает пост. напряжение V, осциллирующее при изменении измеряемого внеш. магн. потока Ф_x, через кольцо С., при этом макс. значения V(Ф_x)достигаются при Ф_x = Ф₀(n + 1/2), а минимальные - при Ф_x = пФ₀, п - целое число, макс. размах осцилляции V(Ф) наблюдается при оптим. значении параметра LI_С/Ф₀ = 1, где L - индуктивность кольца. Коэф. преобразования для оптимизированных ПТ-С. равен

где R - сопротивление шунтированных КД. Шунтирование туннельных КД применяется для создания безгистерезисной вольтамперной характеристики контакта. Современные тонкопланочные планарные ПТ-С., изготовленные методами фото- и электронной литографии, имеют коэф. преобразования до 1 мВ/Ф₀.

Рис. 1. Схема ПТ-сквида: ИТ - источник постоянного тока; СУ - согласующее устройство; ГМ - генератор модуляции; У - усилитель; СД - синхронный детектор; ФНЧ - фильтр низких частот.

Усиление и регистрация сигнала С. производятся электронными устройствами, находящимися при комнатной температуре. Для ослабления влияния НЧ-шумов вида 1/f (см. Флуктуации электрические)используется модуляц. метод обработки сигнала С.: в отд. катушку модуляции (L_m на рис. 1) вводится перем. ток частотой 100-200 кГц, создающий через кольцо С. поток с амплитудой ~ Ф₀/4. Перем. напряжение на С. усиливается, синхронно детектируется и фильтруется. Согласование низкого импеданса С. с высоким импедансом усилителя осуществляется согласующим устройством типа последоват. контура или резонансного трансформатора. Для измерений в большом диапазоне

используется глубокая отрицат. обратная связь по магн. потоку. Напряжение через сопротивление обратной связи R_ос подаётся в катушку модуляции. В результате измеряемый поток компенсируется, а напряжение на резисторе R_ос служит выходным сигналом прибора, линейно связанным с измеряемым потоком в диапазоне

100-1000 Ф₀.

Блок-схема типичного ВЧ-С., работающего на фиксиров. частоте радиочастотного диапазона 10-400 МГц, приведена на рис. 2. С кольцом С. связана катушка резонансного колебат. контура L_KC_K, возбуждаемого генератором тока ВЧ. Резонансный контур согласует низкий импеданс С. с высоким входным сопротивлением усилителя ВЧ. В зависимости от параметра

различают безгистерезисный (I < 1) и гистерезисный (l > 1) режимы работы ВЧ-С. В первом случае кольцо С. представляет собой параметрич. индуктивность, осциллирующую с изменением внеш. потока Ф_х. Изменение индуктивности регистрируется по сдвигу резонансной частоты контура L_KC_K. Безгистерезисный режим работы ВЧ-С. редко используется в практич. устройствах из-за жёстких ограничений на параметры С., стабильность амплитуды и частоты сигнала ВЧ-накачки.

Рис. 2. Схема ВЧ-сквида: ГВЧ - генератор высокой частоты; УВЧ - усилитель высокой частоты; ГНЧ - генератор модуляции низкой частоты; СД - синхронный детектор, ФНЧ - фильтр низких частот.

Если I > 1, воздействие магн. потока накачки с амплитудой, достаточной для возбуждения в кольце с КД тока I_вч > I_с, приводит к характерным гистерезисным потерям энергии в колебат. контуре, уровень к-рых осциллирует в зависимости от внеш. потока Ф_хс периодом Ф₀. Соответствующее изменение добротности контура Q регистрируется по изменению напряжения V_вч(Ф_x) на нём. Коэф. преобразования магн. потока в напряжение для ВЧ-С. в гистерезисном режиме равен:

где w - частота накачки, k - коэф. связи контура со С. (оптимален k, для к-рого

). Для ВЧ-С. типичны значения коэф. преобразования 20-50 мкВ/Ф₀.

Для увеличения отношения сигнал/шум и линеаризации коэф. передачи прибора в схемах ВЧ-С. также применяется дополнит. НЧ-модуляция на частотах 10- 50 кГц и отрицательная обратная связь по магн. потоку.

Обычно измеряемый магн. поток через кольцо С. создаётся током I_xво входной или сигнальной катушке с индуктивностью

мкГн (Ф_x = MI_x, где

- взаимная индуктивность сигнальной катушки и кольца С., a k_c - коэф. связи].

Предельная чувствительность С. разл. типа характеризуется т. н. энергетич. чувствительностью:

выраженной через спектральную плотность мощности эквивалентного шумового потока

или шумового тока

. Эта величина имеет размерность действия, поэтому иногда её выражают в единицах

*10^-34 Дж/Гц.

Энергетич. чувствительность типичных ПТ-С. с L ~ 10^-11 Гн ограничена тепловым шумом резисторов, шунтирующих КД, и равна 10^-30-10^-31 Дж/Гц. Для ряда ПТ-С., охлаждённых до Т < 1К, достигнуты рекордные значения

при измерениях малых переменных Ф_х ~ 0,01 Ф₀ на частотах 100-200 кГц, где не сказывается шум вида 1/f.

Минимальный детектируемый сигнал ВЧ-С. определяется суммарными шумами усилителя ВЧ, контура и самого С. В оптимизиров. конструкциях при частоте накачки 20-30 МГц шумы характеризуются энергетич. чувствительностью

Дж/Гц. Поскольку коэф. преобразования ВЧ-С. растёт с частотой, а собств. шумы падают, выигрыш в чувствительности можно получить, повышая частоту до СВЧ-диапазона (напр., при f = 10 ГГц получено

Дж/Гц). Однако это приводит к существ. усложнению конструкции прибора.

В магн. поток, измеряемый С., легко преобразовать многие магн. и электрич. величины: магн. поле и его градиенты, магн. момент, ток, напряжение и др. Обычно это преобразование осуществляется с помощью сверхпроводящего трансформатора магн. потока: сигнальная катушка С. образует замкнутый сверхпроводящий контур с приёмной катушкой, непосредственно воспринимающей изменение магн. потока. В силу сохранения потока в этой цепи экранирующий ток «переносит» часть измеряемого потока в сигнальную катушку, связанную с кольцом С.

Чувствительность сверхпроводящих С--магнитометров достигает

Тл/Гц^1/2 и определяется уже магн. шумом в тщательно экранированных помещениях. По чувствительности С--магнитометры превосходят традиц. магнитометры на 2-3 порядка. С--магнитометры применяются, напр., для измерения магнитных полей биологических объектов [8], магнитометрич. исследований в геофизике и геологии [9], измерения магн. восприимчивости веществ и материалов.

Применение С. для измерений электрич. величин позволяет достичь пороговой чувствительности по току 10^-12-10^-14 при нулевом сопротивлении сигнальной катушки. По напряжению чувствительность ограничена тепловым шумом низкоомных (10^-4-10^-8 Ом) источников сигнала и составляет при низких температурах 10^-13-10^-15. С--гальванометры и С--вольтметры служат для измерения проводимости и термоэлектрич. эффектов в нормальных и сверхпроводящих металлах. В метрологии С--гальванометры служат в качестве нуль-индикаторов в эталонных установках, к-рые воспроизводят единицу эдс (Вольт) на основе эффекта Джозефсона и единицу сопротивления (Ом) на основе квантового Холла эффекта (см. Квантовая метрология; )шумовой термометр на основе С. используется при установлении шкалы сверхнизких температур [5].

Осн. недостатком С., препятствующим их более широкому распространению, является необходимость охлаждения до уровня гелиевых или водородных температур при применении традиц. сверхпроводящих материалов. Открытие в 1986-87 оксидных высокотемпературных сверхпроводников с Т_с 100 К открывает перспективы создания С. при азотных температурах [10].

Литература по сквидам

Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.

Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.

Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").

Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.

Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.

Понятие "мысленный эксперимент" придумано специально спекулянтами - релятивистами для шулерской подмены реальной проверки мысли на практике (эксперимента) своим "честным словом". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.