КАЛЬМАР
СКВИД , ( сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство ) — это очень чувствительный магнитометр используемый для измерения чрезвычайно слабых магнитных полей , основанный на сверхпроводящих петлях, содержащих джозефсоновские переходы .
СКВИДы достаточно чувствительны, чтобы измерять поля размером до 5×10. −14 T с усредненными измерениями за несколько дней. [1] Их уровень шума составляет всего 3 ф Тл· Гц. − 1 ⁄ 2 . [2] Для сравнения: обычный магнит на холодильник производит 0,01 тесла (10 −2 Т), а некоторые процессы у животных создают очень малые магнитные поля между 10 −9 Т и 10 −6 Атомные магнитометры T. SERF , изобретенные в начале 2000-х годов, потенциально более чувствительны и не требуют криогенного охлаждения , но имеют на порядки большие размеры (~ 1 см 3 ) и должен работать в магнитном поле, близком к нулю.
История и дизайн
[ редактировать ]Существует два основных типа СКВИДов: постоянный ток (DC) и радиочастотный (РЧ). Радиочастотные СКВИДы могут работать только с одним джозефсоновским переходом ( сверхпроводящим туннельным переходом ), что может удешевить их производство, но они менее чувствительны.
Кальмар постоянного тока
[ редактировать ]СКВИД постоянного тока был изобретен в 1964 году Робертом Яклевичем, Джоном Дж. Ламбе, Джеймсом Мерсеро и Арнольдом Сильвером из исследовательских лабораторий Форда. [3] после того, как Брайан Джозефсон постулировал эффект Джозефсона в 1962 году, а первый переход Джозефсона был создан Джоном Роуэллом и Филипом Андерсоном в Bell Labs в 1963 году. [4] Он имеет два параллельных джозефсоновских перехода в сверхпроводящей петле. Он основан на эффекте Джозефсона постоянного тока. В отсутствие внешнего магнитного поля входной ток делится на две ветви поровну. Если к сверхпроводящему контуру приложить небольшое внешнее магнитное поле, то возникнет экранирующий ток. , начинает вращать контур, который генерирует магнитное поле, компенсирующее приложенный внешний магнитный поток, и создает дополнительную джозефсоновскую фазу, пропорциональную этому внешнему магнитному потоку. [5] Индуцированный ток имеет то же направление, что и в одной из ветвей сверхпроводящей петли и противоположно в другом филиале; общий ток становится в одном филиале и в другом. Как только ток в любой из ветвей превысит критический ток, , джозефсоновского перехода , на переходе появляется напряжение.
Теперь предположим, что внешний поток увеличивается до тех пор, пока не превысит , половина кванта магнитного потока . Поскольку поток, окруженный сверхпроводящей петлей, должен представлять собой целое число квантов потока, вместо экранирования потока СКВИД теперь энергетически предпочитает увеличивать его до . Ток теперь течет в противоположном направлении, противодействуя разнице между допустимым потоком и внешнее поле чуть более . Ток уменьшается по мере увеличения внешнего поля и равен нулю, когда поток точно равен и снова меняет направление по мере дальнейшего увеличения внешнего поля. Таким образом, ток периодически меняет направление, каждый раз, когда поток увеличивается на дополнительное полуцелое кратное , с изменением максимальной силы тока каждые половину целого числа, кратного и при нулевом токе каждое целое число кратно.
Если входной ток превышает , то СКВИД всегда работает в резистивном режиме. Таким образом, напряжение в этом случае является функцией приложенного магнитного поля и периода, равного . Поскольку вольт-амперная характеристика СКВИДа постоянного тока гистерезисная, сопротивление шунтирующее, подключается параллельно переходу для устранения гистерезиса (в случае высокотемпературных сверхпроводников на основе оксида меди собственного сопротивления перехода обычно достаточно). Экранирующий ток представляет собой приложенный поток, разделенный на самоиндукцию кольца. Таким образом можно оценить как функцию (преобразователь потока в напряжение) [6] [7] следующее:
- , где - самоиндукция сверхпроводящего кольца
Обсуждение в этом разделе предполагало идеальное квантование потока в контуре. Однако это справедливо только для больших контуров с большой самоиндукцией. Согласно приведенным выше соотношениям это подразумевает также малые изменения тока и напряжения. На практике самоиндукция петли не так велика. Общий случай можно оценить, введя параметр
где — критический ток СКВИДа. Обычно имеет порядок один. [8]
РФ кальмар
[ редактировать ]Радиочастотный кальмар был изобретен в 1967 году Робертом Яклевичем, Джоном Дж. Ламбе, Арнольдом Сильвером и Джеймсом Эдвардом Циммерманом в компании Ford. [7] Он основан на эффекте Джозефсона переменного тока и использует только один переход Джозефсона. Он менее чувствителен по сравнению со СКВИДом постоянного тока, но дешевле и его легче производить в меньших количествах. Большинство фундаментальных измерений биомагнетизма , даже чрезвычайно слабых сигналов, были выполнены с использованием радиочастотных СКвидов. [9] [10] Радиочастотный СКВИД индуктивно связан с резонансным контуром. [11] В зависимости от внешнего магнитного поля, поскольку СКВИД работает в резистивном режиме, эффективная индуктивность бакового контура изменяется, что приводит к изменению резонансной частоты бакового контура. Эти измерения частоты можно легко выполнить, и, таким образом, потери, которые проявляются как напряжение на нагрузочном резисторе в цепи, являются периодической функцией приложенного магнитного потока с периодом . Для точного математического описания обратитесь к оригинальной статье Эрне и др. [6] [12]
Используемые материалы
[ редактировать ]Традиционными сверхпроводящими материалами для СКВИДов являются чистый ниобий свинца или сплав с 10% золота или индия , поскольку чистый свинец нестабилен при многократном изменении его температуры. Для поддержания сверхпроводимости все устройство должно работать в пределах нескольких градусов от абсолютного нуля , охлаждаясь жидким гелием . [13]
Высокотемпературные датчики СКВИДов были разработаны в конце 1980-х годов. [14] Они изготовлены из высокотемпературных сверхпроводников , в частности YBCO , и охлаждаются жидким азотом , который дешевле и с ним легче обращаться, чем жидкий гелий. Они менее чувствительны, чем обычные низкотемпературные СКВИДы, но достаточно хороши для многих применений. [15]
В 2006 году было продемонстрировано доказательство концепции датчиков CNT-SQUID, построенных на основе алюминиевой петли и джозефсоновского перехода из одностенных углеродных нанотрубок . [16] Датчики имеют размер несколько 100 нм и работают с разрешением 1K или ниже. Такие датчики позволяют считать вращения. [17]
был построен СКВИД. В 2022 году на основе двухслойного графена, скрученного под магическим углом (MATBG), [18] [19]
Использование
[ редактировать ]Чрезвычайная чувствительность кальмаров делает их идеальными для изучения биологии. Магнитоэнцефалография (МЭГ), например, использует измерения множества кальмаров, чтобы сделать выводы о нейронной активности внутри мозга. Поскольку СКВИДы могут работать со скоростью сбора данных, намного превышающей максимальную временную частоту сигналов, излучаемых мозгом (кГц), MEG достигает хорошего временного разрешения. Другая область использования кальмаров — магнитогастрография , которая занимается регистрацией слабых магнитных полей желудка. Новым применением кальмаров является метод мониторинга магнитных маркеров , который используется для отслеживания пути перорально применяемых лекарств. В клинической практике СКВИДы используются в кардиологии для визуализации магнитного поля (MFI), которая обнаруживает магнитное поле сердца для диагностики и стратификации риска.
Вероятно, наиболее распространенное коммерческое использование СКВИДов — в системах измерения магнитных свойств (MPMS). Это готовые системы, изготовленные несколькими производителями, которые измеряют магнитные свойства образца материала. Обычно это делается в диапазоне температур от 300 мК до примерно 400 К. [20] Поскольку за последнее десятилетие размер датчиков СКВИДа уменьшился, таким датчиком можно оборудовать наконечник зонда АСМ . Такое устройство позволяет одновременно измерять шероховатость поверхности образца и локальный магнитный поток. [21]
Например, СКВИДы используются в качестве детекторов для проведения магнитно-резонансной томографии (МРТ). В то время как МРТ с высоким полем использует поля прецессии от одного до нескольких тесла, МРТ, обнаруженная с помощью СКВИДа, использует поля измерения, которые лежат в диапазоне микротесла. В обычной системе МРТ сигнал масштабируется как квадрат частоты измерения (и, следовательно, поля прецессии): одна степень частоты возникает из-за тепловой поляризации спинов при температуре окружающей среды, а вторая степень поля возникает из-за того, что индуцированное напряжение в пикап-катушке пропорционально частоте прецессирующей намагниченности. Однако в случае ненастроенного обнаружения СКВИДом преполяризованных спинов сила сигнала ЯМР не зависит от поля прецессии, что позволяет обнаруживать сигнал МРТ в чрезвычайно слабых полях порядка магнитного поля Земли. МРТ с обнаружением СКВИДа имеет преимущества перед системами МРТ с высоким полем, такие как низкая стоимость, необходимая для создания такой системы, и ее компактность. Этот принцип был продемонстрирован при визуализации конечностей человека, и его будущее применение может включать скрининг опухолей. [22]
Другое применение — сканирующий СКВИД-микроскоп используется СКВИД, погруженный в жидкий гелий , в котором в качестве зонда . Использование кальмаров в нефти разведке , разведке полезных ископаемых , [23] прогнозирование землетрясений и исследование геотермальной энергии становятся все более распространенными по мере развития технологии сверхпроводников; они также используются в качестве прецизионных датчиков движения в различных научных приложениях, таких как обнаружение гравитационных волн . [24] СКВИД — это датчик в каждом из четырех гироскопов, используемых на гравитационном зонде B для проверки пределов общей теории относительности . [1]
Модифицированный радиочастотный СКВИД был использован для наблюдения динамического эффекта Казимира . впервые [25] [26]
СКВИДы, построенные из переохлажденных ниобиевых проволочных петель, используются в качестве основы D-Wave Systems 2000Q квантового компьютера . [27]
Датчики переходного края
[ редактировать ]Одним из наиболее распространенных применений СКВИДов является считывание сверхпроводящих датчиков переходного края . Сотни тысяч мультиплексированных СКВИДов, соединенных с датчиками переходного края, в настоящее время используются для изучения космического микроволнового фона , для рентгеновской астрономии , для поиска темной материи, состоящей из слабо взаимодействующих массивных частиц , и для спектроскопии на источниках синхротронного света .
Холодная темная материя
[ редактировать ]Усовершенствованные СКВИДЫ, называемые усилителями СКВИДов с почти квантовым ограничением, составляют основу Аксионного эксперимента с темной материей (ADMX) в Вашингтонском университете. Аксионы — главный кандидат на роль холодной темной материи . [28]
Предлагаемое использование
[ редактировать ]Существует потенциальное военное применение для использования в противолодочной войне в качестве детектора магнитных аномалий (MAD), устанавливаемого на морские патрульные самолеты . [29]
СКВИДы используются в суперпарамагнитной релаксометрии (СПМР), технологии, которая использует высокую чувствительность СКВИД-сенсоров к магнитному полю и суперпарамагнитные свойства наночастиц магнетита . [30] [31] Эти наночастицы парамагнитны; у них нет магнитного момента до тех пор, пока они не подвергнутся воздействию внешнего поля, где они становятся ферромагнитными. После снятия намагничивающего поля наночастицы переходят из ферромагнитного состояния в парамагнитное состояние с постоянной времени, которая зависит от размера частиц и того, связаны ли они с внешней поверхностью. Измерение затухающего магнитного поля с помощью датчиков СКВИДа используется для обнаружения и локализации наночастиц. Приложения для SPMR могут включать обнаружение рака. [32]
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Ран, Шеннон К'доа (2004). Гравитационный зонд B: исследование Вселенной Эйнштейна с помощью гироскопов (PDF) . НАСА . п. 26. Архивировано (PDF) из оригинала 16 мая 2008 г.
- ^ Д. Друнг; К. Ассманн; Дж. Бейер; А. Кирсте; М. Питерс; Ф. Рюде и Т. Шуриг (2007). «Высокочувствительные и простые в использовании датчики СКВИДа» (PDF) . Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 17 (2): 699–704. Бибкод : 2007ITAS...17..699D . дои : 10.1109/TASC.2007.897403 . S2CID 19682964 . Архивировано из оригинала (PDF) 19 июля 2011 года.
- ^ Р.Ц. Яклевич; Дж. Ламбе; А. Х. Сильвер и Дж. Э. Мерсеро (1964). «Эффекты квантовой интерференции в джозефсоновском туннелировании». Письма о физических отзывах . 12 (7): 159–160. Бибкод : 1964PhRvL..12..159J . дои : 10.1103/PhysRevLett.12.159 .
- ^ Андерсон, П.; Роуэлл, Дж. (1963). «Вероятное наблюдение эффекта сверхпроводящего туннелирования Джозефсона». Письма о физических отзывах . 10 (6): 230–232. Бибкод : 1963PhRvL..10..230A . дои : 10.1103/PhysRevLett.10.230 .
- ^ «Лекции Фейнмана по физике, том III, глава 21: Уравнение Шредингера в классическом контексте: семинар по сверхпроводимости, раздел 21–9: Джозефсоновский переход» . feynmanlectures.caltech.edu . Проверено 8 января 2020 г.
- ^ Перейти обратно: а б Э. дю Тремоле де Лашессери, Д. Жиньу и М. Шленкер (редакторы) (2005). Магнетизм: материалы и приложения . Том 2. Спрингер.
{{cite book}}
:|author=
имеет общее имя ( справка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Перейти обратно: а б Дж. Кларк и А.И. Брагинский (ред.) (2004). Справочник по СКВИДУ . Том. 1. Вили-Вч.
- ^ ATHAM де Вале и Р. де Брюин Уботер (1969). «Квантовые интерференционные явления в точечных контактах двух сверхпроводников». Физика . 41 (2): 225–254. Бибкод : 1969Phy....41..225D . дои : 10.1016/0031-8914(69)90116-5 .
- ^ Романи, ГЛ; Уильямсон, С.Дж.; Кауфман, Л. (1982). «Биомагнитная аппаратура». Обзор научных инструментов . 53 (12): 1815–1845. Бибкод : 1982RScI...53.1815R . дои : 10.1063/1.1136907 . ПМИД 6760371 .
- ^ Стерникель, К.; Брагинский, А.И. (2006). «Биомагнетизм с использованием кальмаров: состояние и перспективы». Сверхпроводниковая наука и технология . 19 (3): С160. Бибкод : 2006SuScT..19S.160S . дои : 10.1088/0953-2048/19/3/024 . S2CID 122140082 .
- ^ Нисенов, М.; Вольф, С. (1 сентября 1975 г.). «Наблюдение члена $cos\ensuremath{\varphi}$ в токо-фазовом соотношении для слабой связи типа «Дайем», содержащейся в сверхпроводящем квантовом интерференционном устройстве с радиочастотным смещением». Физический обзор B . 12 (5): 1712–1714. дои : 10.1103/PhysRevB.12.1712 .
- ^ С.Н. Эрне; Х.-Д. Хальбом; Х. Люббиг (1976). «Теория радиочастотно-смещенного сверхпроводящего квантового интерференционного устройства для негистерезисного режима» . Дж. Прил. Физ . 47 (12): 5440–5442. Бибкод : 1976JAP....47.5440E . дои : 10.1063/1.322574 .
- ^ Кларк, Джон (август 1994 г.). «кальмары» . Научный американец . 271 (2): 46–53. Бибкод : 1994SciAm.271b..46C . doi : 10.1038/scientificamerican0894-46 . JSTOR 24942801 . Проверено 18 августа 2022 г.
- ^ М. С. Колклаф, CE Gough и др., Работа радиочастотного СКВИДа с использованием керамического высокотемпературного сверхпроводника, Nature 328, 47 (1987).
- ^ LP Lee и др., Монолитный магнитометр СКВИДа постоянного тока 77K, Applied Physics Letters 59, 3051 (1991)
- ^ Клеузиу, Ж.-П.; Вернсдорфер, В. (2006). «Сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство из углеродных нанотрубок». Природные нанотехнологии . 1 (октябрь): 53–59. Бибкод : 2006NatNa...1...53C . дои : 10.1038/nnano.2006.54 . ПМИД 18654142 . S2CID 1942814 .
- ^ Априли, Марко (2006). «NanoSQUID дебютирует». Природные нанотехнологии . 1 (октябрь): 15–16. Бибкод : 2006NatNa...1...15A . дои : 10.1038/nnano.2006.78 . ПМИД 18654132 . S2CID 205441987 .
- ^ Портолес, Элайджа; Ивакири, Шуичи; Чжэн, Джулия; Рикхаус, Питер; Танигучи, Такаши; Ватанабэ, Кендзи; Ин, Томас; Энслин, Клаус; де Врис, Фолкерт К. (24 октября 2022 г.). «Настраиваемый монолитный СКВИД в скрученном двухслойном графене» . Природные нанотехнологии . 17 (11): 1159–1164. arXiv : 2201.13276 . Бибкод : 2022NatNa..17.1159P дои : 10.1038/ s41565-022-01222-0 ISSN 1748-3395 . ПМИД 36280761 . S2CID 246430218 .
- ^ «Новый квантовый компонент из графена» . ethz.ch. 3 ноября 2022 г. Проверено 15 ноября 2022 г.
- ^ Кляйнер, Р.; Коэлле, Д.; Людвиг, Ф.; Кларк, Дж. (2004). «Сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства: современное состояние и применение». Труды IEEE . 92 (10): 1534–1548. дои : 10.1109/JPROC.2004.833655 . S2CID 20573644 .
- ^ «Микроскопия микрокальмаров — Институт НЭЭЛ» . neel.cnrs.fr.
- ^ Кларк, Дж.; Ли, АТ; Мук, М.; Ричардс, П.Л. «Глава 8.3». Ядерный магнитный и квадрупольный резонанс и магнитно-резонансная томография . стр. 56–81. в Кларке и Брагински, 2006 г.
- ^ П. Шмидт; Д. Кларк; К. Лесли; М. Бик; Д. Тилбрук и К. Фоли (2004). «GETMAG — магнитный тензорный градиентометр SQUID для разведки полезных ископаемых и нефти». Разведочная геофизика . 35 (4): 297–305. дои : 10.1071/eg04297 . S2CID 14994533 .
- ^ Пайк, Хо Дж. «Глава 15.2». «Сверхпроводниковый преобразователь для детекторов гравитационных волн» в [том 2] «Справочника по СКВИДам: Применение СКВИДов и СКВИД-систем» . стр. 548–554. в Кларке и Брагински, 2006 г.
- ^ «Первое наблюдение динамического эффекта Казимира» . Обзор технологий .
- ^ Уилсон, CM (2011). «Наблюдение динамического эффекта Казимира в сверхпроводящей цепи». Природа . 479 (7373): 376–379. arXiv : 1105.4714 . Бибкод : 2011Natur.479..376W . дои : 10.1038/nature10561 . ПМИД 22094697 . S2CID 219735 .
- ^ «Не волшебный квант» (PDF) . Lanl.gov . Июль 2016 г. Архивировано (PDF) из оригинала 29 июля 2016 г. Проверено 26 октября 2021 г.
- ^ Поиск аксионов в микроволновой полости на основе кальмаров с помощью ADMX; С. Дж. Шталос, Дж. Карлос, К. Хэгмэн, Д. Кинион, К. ван Биббер, М. Хотц, Л. Розенберг, Г. Рыбка, Дж. Хоскинс, Дж. Хванг, П. Сикиви, Д. Б. Таннер, Р. Брэдли, Дж. Кларк; Phys.Rev.Lett. 104:041301; 2010 год
- ^ Уэллетт, Дженнифер. «Датчики кальмаров проникают на новые рынки» (PDF) . Промышленный физик. п. 22. Архивировано из оригинала (PDF) 18 мая 2008 г.
- ^ Флинн, скорая помощь; Брайант, ХК (2005). «Биомагнитная система для визуализации рака in vivo» . Физика в медицине и биологии . 50 (6): 1273–1293. Бибкод : 2005PMB....50.1273F . дои : 10.1088/0031-9155/50/6/016 . ПМК 2041897 . ПМИД 15798322 .
- ^ Де Аро, Лейма П.; Карауланов, Тодор; Вриланд, Эрика К.; Андерсон, Билл; Хэтэуэй, Хелен Дж.; Хубер, Дейл Л.; Матлашов Андрей Н.; Неттлс, Кристофер П.; Прайс, Эндрю Д. (1 октября 2015 г.). «Магнитная релаксометрия применительно к чувствительному обнаружению и локализации рака» . Биомедицинская инженерия/Биомедицинская техника . 60 (5): 445–455. дои : 10.1515/bmt-2015-0053 . ISSN 1862-278X . ОСТИ 1227725 . ПМИД 26035107 . S2CID 13867059 .
- ^ Хэтэуэй, Хелен Дж.; Батлер, Кимберли С.; Адольфи, Натали Л.; Ловато, Дебби М.; Белфон, Роберт; Феган, Даниэль; Монсон, Тодд С.; Трухильо, Джейсон Э.; Тессье, Трейс Э. (1 января 2011 г.). «Обнаружение клеток рака молочной железы с использованием направленных магнитных наночастиц и сверхчувствительных датчиков магнитного поля» . Исследование рака молочной железы . 13 (5): Р108. дои : 10.1186/bcr3050 . ISSN 1465-542X . ПМЦ 3262221 . ПМИД 22035507 .
Ссылки
[ редактировать ]- Кларк, Джон; Брагинский, Алекс И., ред. (2006). Справочник по SQUID: Применение SQUID и SQUID-систем . Том. 2. Вайли-ВЧ. ISBN 978-3-527-40408-7 .