Физические основы СКВИД - микроскопии

Чувствительный элемент сквида представляет собой кольцо из сверхпроводящего материала, содержащее один или два джозефсоновских контакта. Возможность регистрации магнитных полей подобным устройством основана на том факте, что ток, текущий в кольце, зависит от магнитного потока через этот замкнутый контур. Первые сверхпроводящие магнитометры были созданы уже через несколько лет после открытия эффекта Джозефсона, в настоящее время предельная чувствительность сквидов превышает 10^-14 Тл/Гц^1/2.

В магнитном микроскопе образец сканируется близко расположенным сквидом, в то время как компьютер регистрирует сигнал со сквида в зависимости от его положения по отношению к образцу.

Рисунок 6.8 Принцип работы СКВИДа

Различают два типа сквидов — СКВИД на постоянном токе (двухконтактный СКВИД) и высокочастотный СКВИД (одноконтактный СКВИД). СКВИД на постоянном токе был изобретен в 1964 году физиками Robert Jaklevic, John J. Lambe, James Mercereau, и Arnold Silver . Они же вместе с Джеймсом Эдвардом Циммерманом изобрели СКВИД на переменном токе.

СКВИД на постоянном токе. Простейший квантовый магнитометр — СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо с двумя джозефсоновскими туннельными контактами. Это в определенном смысле аналог оптического эффекта с интерференцией от двух щелей, только здесь интерферируют не световые волны, а два джозефсоновских тока. Существенным для понимания работы СКВИДа является наличие волновых свойств у электрона. В СКВИДе волна электронов разделяется на две, каждая из которых проходит свой туннельный контакт, а затем обе сводятся вместе. В случае отсутствия внешнего поля обе ветви будут эквивалентны и обе волны придут без разности фаз. Но при наличии магнитного поля будет наводиться в контуре циркулирующий сверхпроводящий ток. Этот ток, в одном из контактов будет вычитаться из постоянного внешнего тока, а во втором — складываться. Теперь две ветви будут иметь разные токи, между туннельными контактами возникнет разность фаз. Волны электронов, пройдя через контакты и соединившись, будут интерферировать, интерференция проявится как зависимость критического тока СКВИДА от приложенного внешнего магнитного поля. Ступенчатый характер зависимости позволяет чувствовать отдельные кванты потока. Ступенчатый вид зависимости возникает из-за наличия условия изменения фазы электронной волны на джозефсоновском контакте на 2πn, где n — целое число.

Наиболее устойчиво сверхпроводящее состояние кольца по отношению к внешнему току будет в случаях, когда полный магнитный поток через интерферометр будет равен целому числу квантов потока. Наоборот, случай, когда полный поток равен полуцелому числу квантов потока, соответствует неустойчивому сверхпроводящему состоянию: достаточно приложить к интерферометру ничтожный ток, чтобы он перешел в резистивное состояние и чтобы вольтметр обнаружил напряжение на интерферометре.

СКВИД на переменном токе. Работа СКВИДа на переменном токе основана на нестационарном эффекте Джозефсона и использует только один джозефсоновский контакт. Он менее чувствителен по сравнению со СКВИДом на постоянном токе, но дешевле и проще в производстве в малых количествах. Значительная часть фундаментальных измерений сверхмалых сигналов, были выполнены с использованием СКВИДов на переменном токе.

Основное использование СКВИДа — это измерение слабых магнитных полей. На это свойство СКВИДа опирается весь спектр его применений:

· магнитоэнцефалография;

· магнитогастрография;

· магнитный маркерный мониторинг;

· исследование сердца в медицине;

· ядерный магнитный резонанс в технике, в геологофизической разведке.

Также есть соображения в части применения СКВИДов в квантовом компьютере в качестве кубитов, которые создаются наноамперными токами или магнитными наноразмерными частицами.

Первые варианты магнитных микроскопов использовали сквиды на базе традиционных, низкотемпературных, сверхпроводников. Они работали при температуре жидкого гелия и предназначались для исследования образцов, также находящихся при низкой температуре. Необходимость поддерживать сквид при гелиевой температуре сдерживала широкое применение сквид-микроскопов. Пользователи таких микроскопов испытывали значительные трудности с совмещением и позиционированием сквида относительно образца, а также при загрузке и перезагрузке образцов. Замена низкотемпературного сквида на сквид на базе высокотемпературных сверхпроводников, сделала возможной работу устройства при азотных температурах, значительно расширила круг исследований и стимулировала коммерческое применения сквидов.

Еще один шаг к коммерческому применению сквид-микроскопов был сделан, когда появились варианты этих устройств, в которых образец может находиться при комнатной температуре. В них вакуумный объем с охлажденным сквидом отделяется от образца тонким окном из немагнитного материала, например, сапфира; достижимое пространственное разрешение - около 10 мкм.

Наиболее совершенным устройством подобного рода на основе высокотемпературного сквида является американский магнитный микроскоп CryoTiger. Сквид постоянного тока изготовлен из YBaCuO, его площадь - 1.2 х 10^{-9 м2}, полевая чувствительность - 17.5 пТл/Гц^1/2. Сканирующая система позволяет перемещать сквид относительно исследуемого образца со скоростью 0.5 - 1 мм/с на площади сканирования 5 х 5 мм². Достоинствами микроскопа являются малые размеры, удачная конструкция и большой срок службы (500 тысяч часов).

Данный микроскоп хорошо показал себя при исследовании вихревых токов в металлических слоях, закороток между контактными выводами в сборке интегральной схемы в корпусе, однородности намагниченности пленок магнитных материалов и т.д. Сейчас фирма Neocera Inc. выпускает на рынок его коммерческую версию. Необходимо отметить, что и в России разработана собственная версия сквид-микроскопа.

⇐ Предыдущая16171819202122232425Следующая ⇒

Поделиться: