Эффект Джозефсона

В 1962 г. Брайан Джозефсон, тогда еще студент-дипломник Кембриджского университета, буквально «на кончике пера» предсказал замечательное явление в сверхпроводниках. Опираясь на чисто теоретический анализ, он пришел к выводу, что сверхпроводящий ток, определяемый куперовскими парами1, может протекать, или «туннелировать», через пленку изолятора, разделяющую два сверхпроводника, если ее толщина незначительна. Он предсказал два явления, которые вскоре были подтверждены экспериментально и называются теперь эффектами Джозефсона, а область контакта двух сверхпроводников называют джозефсоновским переходом.

По сути, Джозефсон рассматривал частный случай туннельного эффекта -туннелирование куперовских пар - и предсказал существование двух эффектов. Первый из них состоит в том, что через туннельный переход с тонким слоем диэлектрика, когда его толщина меньше или порядка длины когерентности с, {d < ?), возможно протекание сверхпроводящего тока, то есть тока без сопротивления {стационарный эффект Джозефсона). Предсказывалось, что критическое значение этого тока будет своеобразно зависеть от внешнего магнитного поля. Если ток через такой переход станет больше критического 4 (7С - ток слабой связи), то переход обретет активное сопротивление и индуктивность и, следовательно, на нем возникнет разность потенциалов. Для этого случая Джозефсон предсказал еще более удивительный эффект: при появлении постоянного напряжения U через переход должен протекать высокочастотный ток, излучающий электромагнитные волны с частотой в десятки и сотни гигагерц {нестационарный эффект Джозефсона).

При силе тока меньше критической величины 7С ток через джозефсонов-ский контакт переносят только куперовские пары, а при 7 > 7С в переносе тока участвуют также и нормальные электроны, что приводит к возникновению электрического напряжения, которое зависит от потока магнитного поля через площадь контура. Этот эффект используется для изготовления датчиков магнитного поля, чувствительность которых настолько высока, что они способны регистрировать магнитные потоки, во много раз меньшие одного кванта потока Fq = hlle = 2,07 фТл- м2.

На основе эффекта Джозефсона созданы приемные устройства различного назначения. Когерентные радиоприемники, в состав которых входят гетеродинные смесители и параметрические предусилители, служат в радио-

Два электрона с противоположными спинами и направлениями движения объединяются в пару, называемую куперовской (по имени американского ученого Л. Купера, впервые показавшего, что такие два электрона образуют связанное состояние). астрономии для приема узкополосного излучения и предназначены, например, для определения молекулярных линий. Наиболее широкое распространение получили гетеродинные приемники со смесителями на основе туннельных переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС).

Сверхмалошумящие СИС-смесители, работающие при температуре жидкого гелия, являются наилучшими входными устройствами в диапазоне 100-1000 ГГц. Их шумовая температура ограничивается только фундаментальным квантовым пределом.

В настоящее время такие приемники работают на радиотелескопах миллиметрового диапазона, по меньшей мере, в шести обсерваториях мира и служат для получения ценных астрономических данных.

Тонкопленочные туннельные СИС-переходы совместимы с другими сверхпроводниковыми компонентами приемника, изготавливаемыми с помощью литографии. В Институте радиотехники и электроники (ИРЭ) РАН создан и проходит испытания полностью сверхпроводниковый интегральный приемник субмиллиметровых волн (400-500 ГГц). В этом приемнике совместно работают согласующие устройства, СИС-смеситель, генератор гетеродина на джозефсоновских переходах и другие сверхпроводящие элементы. Совместно с Институтом космических исследований Голландии в ИРЭ ведутся работы по конструированию матрицы таких приемников размером 3x3 элемента, которую предполагается установить на европейском космическом радиотелескопе.

Одно из наиболее важных и широко применяемых сверхпроводниковых устройств - сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД), в основе работы которого лежат два физических явления: стационарный эффект Джозефсона и эффект квантования магнитного потока.

СКВИД, состоящий из двух переходов, включенных параллельно и работающих при постоянном токе смещения (рис. 3.11,6), называется СКВИДом постоянного тока (ПТ СКВИД). В настоящее время в электронике получили наибольшее распространение ПТ СКВИДы, изготовленные по тонкопленочной технологии.

Схема СКВИДа представляет собой замкнутый контур из сверхпроводника с четырьмя выводами, служащими для подачи тока и снятия напряжения, в который включены два джозефсоновских перехода.

Характерная особенность СКВИДа состоит в том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, напряжение на выходе этого устройства периодически изменяется, причем период равен кванту Фо магнитного потока. Эта зависимость позволяет создать на основе СКВИДов чувствительнейшие измерители вариаций магнитного поля. С их помощью можно измерять практически любые физические величины, преобразуемые в магнитный поток, такие как напряженность магнитного поля, градиент напряженности, электрический ток и напряжение, магнитная восприимчивость и смещение. Этим и объясняется, что активные сверхпроводящие элементы, джозефсоновские переходы и СКВИДы, создаваемые на базе низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводников (НТСП и ВТСП), ускоряющимися темпами внедряются в современную радиоэлектронику.

Схематическое изображение джозефсоновского перехода (я), сверхпроводящего квантового интерференционного датчика (б), микрофотография СКВИДа с механическим резонатором (в)

Рис. 3.11. Схематическое изображение джозефсоновского перехода (я), сверхпроводящего квантового интерференционного датчика (б), микрофотография СКВИДа с механическим резонатором (в)

На основе низкотемпературных (гелиевых) СКВИДов созданы чувствительнейшие вольтметры и усилители, шумы которых приближаются к квантовому пределу. Сверхчувствительные магнитометры, измеряющие вариации магнитных полей с разрешением до 10 Тл, - это уже промышленная продукция, находящая широкое применение в измерительной технике. Например, они позволяют производить измерения очень малой магнитной восприимчивости незначительных количеств вещества. С помощью устройств на СКВИДах удалось измерить предельно малую восприимчивость белков. Эти приборы использовались для измерения магнитного момента образцов лунного грунта.

Другая важная область применения СКВИДов - геофизика. Здесь они используются при изучении магнитных свойств горных пород. Они весьма перспективны при разведке нефтяных источников и изучении сейсмической активности.

Остановимся немного подробнее на двух имеющих общие черты областях применения СКВИД-магнитометров. Это бесконтактное диагностирование человека и неживых объектов. СКВИД как внешний зонд может быть расположен вблизи исследуемого объекта, никоим образом не воздействуя на него и не нарушая его целостности. Для измерения магнитных полей человека, или биомагиитных исследований, уже создаются многоканальные системы на основе охлаждаемых гелием СКВИДов. Они применяются во многих клиниках мира для наблюдения и анализа магнитных полей, обусловленных сердечной деятельностью (магнитокардиограмма - МКГ), деятельностью мышц (магнитомиограмма - ММГ), мозговой деятельностью (магнитоэнцефалограмма - МЭГ).

Для исследования деятельности мозга человека в Финляндии разработаны «шлемы», содержащие свыше 120 СКВИД-датчиков. В Японии прошла испытания 256-канальная система. И это на низкотемпературных, охлаждаемых жидким гелием, СКВИДах. При создании таких систем, кроме стандартных требований к приборам - низкий шум, высокая скорость слежения, долговременная стабильность и т.п., одновременно решаются проблемы миниатюризации цепей и охлаждающих устройств, создания малоразмерной и дешевой электроники, уменьшения взаимного влияния каналов и многие другие.

Открытие высокотемпературных сверхпроводников и прогресс технологии создания малошумящих СКВИДов, приближающихся по своим характеристикам к низкотемпературным, но работающих при азотном охлаждении, во многом упростили проблему их внедрения в аппаратуру телекоммутаци-онных комплексов. В результате возникла возможность разработки гибридных устройств, открывающих принципиально новые перспективы в системах связи. Уже в приемниках станций сотовой и персональной связи, работающих на частотах от 800 МГц до 2 ГГц, используются суперузкополосные сверхпроводящие фильтры из высокотемпературных сверхпроводящих пленок. Разработаны и проходят испытания резонаторы, мультиплексоры, линии задержки и прочие пассивные элементы радиоэлектроники. Их достоинствами, по сравнению с элементами из несверхпроводящих материалов, являются более низкие потери, узкополосность, компактность и температурная стабильность. Например, сверхпроводящие резонаторы позволяют получать значения добротности 1011 - это в миллион раз выше, чем в конструкциях с омедненными или посеребренными стенками.

В последнее время проявляется огромный интерес к развитию техники, способной представить пространственное изображение источников магнитного поля. Основной мотив здесь, конечно, желание понять структуру и динамику магнитных вихрей как в низко-, так и в высокотемпературных сверхпроводниках. Прикладной интерес связан с получением магнитных изображений для биомедицинских приложений и неразрушающего контроля материалов.

Поэтому получила развитие совсем новая область применения СКВИД-магнитометров - сканирующая СКВИД-микроскопия. Только подобный микроскоп дает не оптическое изображение исследуемого образца, а магнитное, т.е. при перемещении образца относительно СКВИД-датчика регистрируется величина магнитного потока и визуализируются его пространственные вариации над поверхностью образца. Так как СКВИДы - чувствительнейшие датчики магнитного потока, то с их помощью можно исследовать магнитные поля от мизерных объемов вещества, например тончайших ферромагнитных и сверхпроводящих пленок. Источниками поля могут являться либо микроскопические магнитные включения, либо протекающие токи.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >