OLIHEŇ

chobotnice _ _  _ _ _  _ _ _ _  _ _ _ _ _ Magnetometry SQUID mají rekordně vysokou citlivost, dosahující 5⋅10 −33  J/Hz (citlivost magnetického pole je 10 −13  T) [1] . Pro dlouhodobé měření průměrných hodnot v průběhu několika dnů lze dosáhnout hodnot citlivosti 5⋅10 −18  T [2] .

Jak to funguje

Nejjednodušší kvantový magnetometr, SQUID, je supravodivý prstenec se dvěma Josephsonovými tunelovými spoji. Procesy probíhající v takovém zařízení jsou v jistém smyslu analogií optické interference na dvou štěrbinách, pouze v tomto případě neinterferují světelné vlny, ale dva Josephsonovy proudy. Nezbytná pro pochopení fungování SQUID je přítomnost vlnových vlastností elektronu - v SQUID jsou de Broglieho vlny elektronů rozděleny na dvě, z nichž každá prochází vlastním tunelovým kontaktem a poté se obě vlny sbíhají dohromady. Při absenci vnějšího pole budou obě větve ekvivalentní a obě vlny dorazí ve stejné fázi. Ale za přítomnosti toku magnetického pole obvodem se v něm indukuje cirkulující supravodivý proud . Tento proud v jednom z kontaktů se odečte od stejnosměrného vnějšího proudu a ve druhém se k němu přičte. Nyní budou mít obě větve různé proudy a mezi vlnami přes kontakty tunelu bude fázový rozdíl . Vlny elektronů, které prošly kontakty a byly spojeny, budou rušit, interference se projeví jako závislost kritického proudu SQUID na aplikovaném vnějším magnetickém poli . Periodický charakter závislosti napětí na poli umožňuje detekovat jednotlivá kvanta magnetického toku. Periodická forma závislosti vzniká změnou fáze elektronové vlny na Josephsonově přechodu o kde  je celé číslo.

Druhy chobotnic

Existují dva typy SQUID – DC SQUID (dvoupinový SQUID) a vysokofrekvenční SQUID (jednopinový SQUID). DC SQUID vynalezli v roce 1964 fyzikové Robert Jaklevic, John J. Lambe, James Mercereau a Arnold Silver. Společně s Jamesem Edwardem Zimmermanem vynalezli chobotnici na střídavý proud [3] .

DC SQUID

DC SQUID se skládá ze dvou Josephsonových spojů zapojených paralelně. Zapínání provádějí masivní supravodiče, které spolu s Josephsonovými přechody a a b tvoří uzavřený obvod (prstenec). Uvnitř tohoto prstence je vložena cívka, která vytváří magnetický tok.

Činnost SQUID při stejnosměrném proudu je popsána dvěma Josephsonovými vztahy:

Tyto vztahy popisují stacionární a nestacionární Josephsonův jev . Je vidět, že nejstabilnější supravodivý stav prstence vzhledem k vnějšímu proudu bude v případech, kdy se celkový magnetický tok interferometrem rovná celému číslu tokových kvant . Naopak případ, kdy je celkový tok roven polovičnímu číslu tokových kvant, odpovídá nestabilnímu supravodivému stavu: stačí přivést do interferometru nepatrný proud, aby přešel do odporového stavu a voltmetr pro detekci napětí na interferometru.

AC SQUID (HF-SQUID)

Provoz SQUID na střídavý proud je založen na nestacionárním Josephsonově efektu a využívá pouze jeden Josephsonův kontakt. RF-SQUID v měřicí technice obvykle vykazuje vyšší citlivost díky vyšší transformaci průtoku z měřeného objemu (vzorku). Je levnější a jednodušší na výrobu v malých množstvích. Významná část experimentů v základní fyzice a měření v biomagnetismu , včetně měření ultra-malých signálů, byla provedena pomocí střídavých SQUID.

Použití SQUIDů

Výjimečně vysoká energetická citlivost (řádově zlomky Planckovy konstanty ), kterou mají SQUID při měření magnetických polí, otevřela nové možnosti v experimentech základní fyziky. Jedním z těchto problémů je odhadnout možnou hodnotu elektrického dipólového momentu (EDM) elektronu. Je dobře známo, že elektrony mají elektrický náboj a spin. Účinky spojené s porušením CP - a T - invariance nezakazují elektronu v distribuci elektrického náboje, která se neshoduje s rozložením jeho hmoty, tj. s elektrickým dipólovým momentem. Různé modely předpovídají existenci EDM pro elektron na úrovni od 10 -20  cm na náboj elektronu do 10 -28  cm na náboj elektronu a možná ještě méně. Odpovídající experimenty s SQUID ukázaly, že EDM elektronů je menší, alespoň 10 −22  cm na elektronový náboj [4] . Tento výsledek byl zahrnut do referenčních knih o vlastnostech elementárních částic a nyní způsobil celou řadu podobných měření.

Celá škála lékařských ( magnetoencefalografie , magnetogastrografie , monitorování magnetických markerů, vyšetření srdce), technických ( nukleární magnetická rezonance ), důlních a geologických ( geofyzikální průzkum , paleomagnetická metoda studia hornin) aplikací SQUIDs spoléhá na mimořádně vysokou citlivost na magnetický tok . Existují také úvahy týkající se použití SQUID v kvantovém počítači jako qubitů .

Skenovací mikroskop SQUID

Na rozdíl od tradičních magnetometrů, ve kterých se SQUID používají jako pasivní senzory nízkofrekvenčního nebo konstantního magnetického pole, nový mikroskop využívá mikrovlnný střídavý proud cirkulující prstencem SQUID, když je aplikováno konstantní napětí ( nestacionární Josephsonův efekt ) . na její křižovatky Josephson. Základní princip fungování spočívá v tom, že mikrovlnný proud proudí v prstenci SQUID snadněji, když je vedle něj vodivý vzorek.

SQUIDs ve sci-fi

Viz také

Poznámky

  1. ↑ SQUID magnetometr .
  2. ↑ Ran, Shannon K'doah. Gravitační sonda B: Průzkum Einsteinova vesmíru pomocí gyroskopů  (anglicky) . - Národní úřad pro letectví a kosmonautiku , 2004. - S. 26. Archivováno 3. března 2016 na Wayback Machine
  3. ↑ J. Clarke a AI Braginski (Eds.). Příručka SQUID  (neopr.) . - Wiley-Vch, 2004. - T. 1.
  4. ↑ B. V. Vasiliev, E. V. Kolycheva. Měření elektrického dipólového momentu elektronu pomocí kvantového interferometru // Journal of Experimental and Theoretical Physics . - 1978. - Sv. 74. - S. 466-471 .

Literatura

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích