Ülijuhtiv kvantinterferomeeter

Ülijuhtiv kvantinterferomeeter (ing. k. SQUID – superconducting quantum interference device) on väga tundlik magnetvoo tuvastamise detektor.

SQUIDi sensorelement

Selles on kombineeritud sellised füüsikalised nähtused nagu magnetvoo kvantiseerimine ja Josephsoni tunnelefekt.^[1] SQUIDid suudavad mõõta ülinõrku magnetvälju – isegi kuni 5aT (5×10⁻¹⁸ T).^[2] Sellise seadme müratase on 3 fT·Hz^−½.^[3] Võrdluseks – tavalisel külmakapimagnetil on magnetväli 0,01 T. Sealjuures inimese südamega seotud signaalid jäävad 100 pT juurde ning ajusignaalid lausa alla 1pT. Ülijuhtiv kvantinterferomeeter suudab detekteerida 100 miljardit korda nõrgemat muutust, mis toimub kompassinõela liigutamisel. Sel sajandil leiutatud SERF atomaarne magnetomeeter on teoreetiliselt veel tundlikum ning ei nõua krüogeenilisi temperatuure, kuid on samas ruumalalt suurem ja töökõlblik vaid nullilähedaste magnetväljade juures.^[4] Ülijuhtivate kvantinterferomeetrite töö põhineb Josephsoni siirdel, mis on tunnelefektil baseeruv kvantlüliti. Josephsoni siire koosneb kahest ülijuhist, mille vahel on madalatemperatuurilise siirde korral väga õhuke isolaator. Isolaatoriks võib olla õhuke isoleeriv materjal, mitteülijuhtiv metall või siis konstruktsioon, mis kokkupuutepinnal vähendab ülijuhtivust.^[1]

Ülijuhtiva kvantinterferomeetri liigid

Esineb kahte liiki ülijuhtivaid kvantinterferomeetreid: alalisvoolul põhinevad ja raadiosagedusel põhinevad seadmed.

SQUIDi elektriskeem, kus ${\displaystyle I_{b}}$ on sisendvool, ${\displaystyle I_{0}}$ SQUIDi kriitiline vool, ${\displaystyle \Phi }$ SQUIDI magnetvoog ja ${\displaystyle V}$ on pinge, mis vastab sellele magnetvoole. X-id tähistavad Josephsoni siiret.

Alalisvoolu SQUID

Alalisvoolu SQUID-i leiutasid 1964. aastal Robert Jaklevic, John J. Lambe, James Mercereau ja Arnold Silver Fordi teaduslaborites^[5] pärast seda, kui Brian David Josephson avastas Josephsoni efekti 1962. aastal.^[6] Josephsoni efektil põhineva esimese seadme ehitasid John Rowell ja Philip Anderson Bell Labsis 1963. aastal [3] – seda seadet nimetatakse Josephsoni siirdeks. Alalisvoolu SQUID koosneb kahest Josephsoni siirdest. Välise magnetvälja puudumisel sisendvoolutugevus jaotub sõlmpunktis võrdselt kaheks ning kui rakendatakse ülijuhtivale sõlmele väline magnetväli, siis indutseeritud vool ${\displaystyle I_{s}}$ genereerib ahelas magnetvälja, mis nullib välise magnetvoo. Indutseeritud vool on ühes ahela osas samasuunaline ning teises osas vastassuunaline algsele voolule ${\displaystyle I}$. Seega tekib ühes osas vool ${\displaystyle I/2+I_{s}}$ ja teises osas ${\displaystyle I/2-I_{s}}$. Niipea kui vool ühes või teises ahela osas ületab kriitilise voolu ${\displaystyle I_{k}}$, tekib pinge üle kogu sõlme. Kui magnetvoog ahelas tõuseb, siis pinge ostsilleerub perioodiga ${\displaystyle \Phi _{0}}$. Detekteerides voolu väikese muutuse saame tuvastada ka magnetvoo muutuse kuni 10⁻²${\displaystyle \Phi _{0}}$. Josephsoni siirdega seostatakse ka avastust, et magnetvoog on ühikuliselt kvantiseeritud. Seega magnetvoo kvant on suurus, mis läbib ülijuhti.

${\displaystyle \Phi _{0}={\frac {2\pi \hbar }{2e}}\cong 2,0678\cdot 10^{-15}Tm^{2}(Wb)}$,

kus ${\displaystyle \Phi _{0}}$ on magnetvoo kvant, ${\displaystyle \hbar }$ on Plancki nurkkonstant ja ${\displaystyle e}$ on elementaarlaeng

Eeldame perfektset voo kvantiseerimist. Kujutame ette olukorda, kus väline magnetvoog on suurendatud, kuni see ületab ${\displaystyle \Phi _{0}/2}$ – poolt magnetvoo kvandist. Kuna ülijuhtiva osa magnetvoog peab olema täisarv magnetvoo kvante, siis SQUID eelistab nüüd energeetiliselt tõsta see ${\displaystyle \Phi _{0}}$ni. Võrreldes algse suunaga on nüüd voolu ${\displaystyle I_{s}}$ suund vastupidine. Seega muutub voolu ${\displaystyle I_{s}}$ suund igakord kui magnetvoog kasvab poole ${\displaystyle \Phi _{0}}$ võrra. Seetõttu kriitiline vool ${\displaystyle I_{k}}$ ostsilleerub rakendatud magnetvoo funktsioonina. Kui sisendvooluks on suurem vool kui kriitiline vool ${\displaystyle I_{k}}$, siis SQUID töötab alati takistusena. Pinge on sel juhul funktsioon rakendatud magnetväljast ning periood on võrdne magnetvoo kvandiga. Voolu-pinge karakteristikud alalisvoolu SQUIDis on hüstereesiga. Seetõttu on šunttakistus ühendatud sõlme elimineerimaks hüstereesi (vaskoksiidil põhinevates kõrgetemperatuursetes ülijuhtides on siirde sisetakistus piisav). Magnetvoo muutuse saame esitada funktsioonina pingemuudust:

Vasakul on pinge ja voolutugevuse sõltuvus. Ülemine ja alumine kõver on vastavalt ${\displaystyle n\cdot \Phi _{0}}$ and ${\displaystyle {\frac {n+1}{2}}\cdot \Phi _{0}}$. ${\displaystyle I_{b}}$ on kriitiline vool. Paremal on perioodiline pingemuutus, mis tekib magnetvoost, mis läbib SQUIDi. Perioodilisus on võrdeline magnetvoo kvandiga ${\displaystyle \Phi _{0}}$.

${\displaystyle \Delta V=R\cdot \Delta I}$,

kus ${\displaystyle \Delta V}$ on ülijuhtiva ahela pingemuut, ${\displaystyle R}$ on takistus ning ${\displaystyle \Delta I}$ ahela voolumuut

${\displaystyle 2\cdot I=2\cdot {\frac {\Delta \Phi }{L}}}$,

kus ${\displaystyle \Delta \Phi }$ on magnetvoo muut ja ${\displaystyle L}$ on ülijuhtiva ahela eneseinduktsioon

${\displaystyle \Delta \Phi ={\frac {R}{L}}\cdot \Delta V}$

Eelpool kirjeldatud olukord kehtib suurte ahelate korral, millel on suur eneseinduktiivsus. Samuti eeldab see väikseid voolu ja pinge variatsioone. Praktikas ei ole eneseinduktiivsus piisavalt suur. Üldise juhtumi saame arvutada tuues sisse parameetri:

${\displaystyle \lambda ={\frac {i_{c}L}{\Phi _{0}}}}$

kus ${\displaystyle i_{c}}$ on SQUIDi kriitiline vool.

Raadiosageduslik ülijuhtiv kvantinterferomeeter (RF SQUID)

RF SQUID-i leiutasid 1965. aastal Robert Jaklevic, John J. Lambe, Arnold Silver ja James Edward Zimmermann samas Fordi teaduslaboris. See põhineb vahelduvvoolu Josephsoni efektil. Võrreldes alalisvoolu SQUID-iga on RF SQUID odavam ning seda on väiksemates osades kergem toota. RF SQUID koosneb ühest Josephsoni siirdest, mis on pandud ülijuhtivasse ahelasse. See ahel on ühendatud induktoriga resoneeruvas LC-ahelas, mida läbib vool sagedusega mõnest MHz-st kuni mitme GHz-ni. Resoneeruvas ahelas ostsilleeruva pinge amplituud on perioodiline rakendatud magnetvooga, perioodiga ${\displaystyle \Phi _{0}}$, võimaldades tuvastada magnetvoo muutuseid suurusjärgus 10⁻⁵${\displaystyle \Phi _{0}}$.^[2] Enamik bioloogide poolt tehtud ülinõrkade signaalide uurimisi on tehtud kasutades RF SQUIDi.

SQUIDides kasutatavad materjalid

Enamik ülijuhtivaid kvantinterferomeetreid tehakse madala siirdetemperatuuriga ülijuhist, milleks on nioobiumi või plii segu kulla ja indiumiga, millega opereeritakse vedela heeliumi keemispunktis või madalamal (4,2K). Kõrge siirdetemperatuuriga ülijuhtide esiletõus viis ülemaailmse tehnoloogiarenguni selles valdkonnas, mis tähendab, et nüüd on meil ülijuhid – tuntuim on ${\displaystyle YBa_{2}Cu_{3}O_{7-x}}$ (YBCO), millega saab tegutseda vedela lämmastiku keemistemperatuuridel (77K). Samuti on vedel lämmastik ka tunduvalt odavam kui vedel heelium. Hoolimata sellest, et need SQUIDid on vähem tundlikud võrreldes regulaarsete madalama töötemperatuuriga SQUIDidega, leidub neile väga palju rakendusi.

Rakendused

Ülijuhtivate kvantinterferomeetrite väga suur tundlikkus muudab need seadmed kasulikuks mitmesugustes valdkondades. Eriti näiteks bioloogias, kus magnetoentsefalograafia (MEG) kasutab SQUIDide mõõteandmeid, et uurida neuronite aktiivsust ajus. MEG annab ka hea ajalise resolutsiooni, kuna SQUIDid suudavad tegutseda tunduvalt suurematel sagedustel kui aju poolt saadetavad signaalid.^[2] Samuti kasutatakse SQUIDe magnetogastrograafias, mis uurib kõhus olevaid nõrkasid magnetvälju. Lisaks rakendatakse SQUIDe magnetmarkerite monitoorimise meetodis, kus uuritakse suukaudsete ravimite teekonda kehas. Kardioloogias kasutatakse SQUIDe südame magnetvälja uurimiseks südamehaiguste diagnoosimisel.

Tõenäoliselt on leiavad SQUIDid kõige laialdasemat kasutust magnetomaduste mõõtmise süsteemides (MPMS). Tegemist on süsteemidega, kus mõõdetakse materjalide magnetilisi omadusi. Tavaline temperatuurne uurimisvahemik algab 300 mK-st ning ulatub umbes 400 K-ni.^[1] Samuti on SQUIDide pidev mõõtmete vähenemine viinud sinna, et neid on võimalik ka kasutada aatomjõumikroskoopide otsikutes, mis lisaks materjali pinnaanalüüsile võimaldab uurida ka lokaalset magnetvoogu.^[7]

Ülijuhtivad kvantinterferomeetrid on kasutusel detektoritena, et teostada magnetresonantstomograafiat. Kui suure magnetväljaga MRT kasutab väljast ühes kuni mitme teslani, siis SQUIDi-detekteeritud MRT kasutab magnetvälju, mis jäävad mT mõõtmetesse. Tavalises MRT-süsteemis sõltub signaalitugevus sagedusest ruutvõrdeliselt. Kuna SQUID detektorites ei sõltu signaalitugevus pretsesseerivast väljast, võimaldab selline tuvastada ka väga nõrku signaale. SQUID detekteeritud MRT omab mitmeid eeliseid suure magnetväljaga MRT-süsteemide ees, nagu väiksemad kulud süsteemi ehitamisel ja selle kompaktsus.

Ülijuhtide tehnoloogia areneb pidevalt, mis viib ka SQUIDide uute rakendusteni, et täpsemalt uurida maa sees leiduvaid mineraale^[8], ennustamaks maavärinaid ja geotermilist energiat. Tänu väga suurele tundlikkusele kasutati neid isegi gravitatsioonilainete detekteerimisel. Samuti uuritakse selle abil üldrelatiivsusteooria piire^[1] ja paikapidavust. Lisaks kasutati modifitseeritud RF SQUIDi dünaamilise Casimiri efekti esmakordseks uurimiseks.^[9][10] Samuti pakutakse ülijuhtivatele kvantinterferomeetritele rakendust ka kvantarvutite ehitamises. Potentsiaalselt võidakse seda kasutada ka militaartehnoloogias näiteks magnetanomaaliadetektorina, et leida võõrvetes peituvaid allveelaevu.

Vaata ka

• Magnetvoo kvant
• Josephsoni siire
• Elektromagnetism

Viited

1. Kleiner, R.; Koelle, D.; Ludwig, F.; Clarke, J. (2004). "Superconducting quantum interference devices: State of the art and applications". Proceedings of the IEEE. 92 (10): 1534–1548. DOI:10.1109/JPROC.2004.833655.
2. Ran, Shannon K’doah (2004). Gravity Probe B: Exploring Einstein's Universe with Gyroscopes (PDF). NASA. Lk 26.
3. D. Drung; C. Assmann; J. Beyer; A. Kirste; M. Peters; F. Ruede & Th. Schurig (2007). "Highly sensitive and easy-to-use SQUID sensors" (PDF). IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 17 (2): 699–704. Bibcode:2007ITAS...17..699D. DOI:10.1109/TASC.2007.897403. Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 19. juuli 2011. Vaadatud 25. jaanuaril 2017.
4. Allred, J. C.; Lyman, R. N.; Kornack, T. W.; Romalis, M. V. (2002). "High-Sensitivity Atomic Magnetometer naffected by Spin-Exchange Relaxation". Phys Rev Lett. 89 (13): 130801. Bibcode:2002PhRvL..89m0801A. DOI:10.1103/PhysRevLett.89.130801. PMID 12225013.
5. R. C. Jaklevic; J. Lambe; A. H. Silver & J. E. Mercereau (1964). "Quantum Interference Effects in Josephson Tunneling". Phys. Rev. Letters. 12 (7): 159–160. Bibcode:1964PhRvL..12..159J. DOI:10.1103/PhysRevLett.12.159.
6. Anderson, P.; Rowell, J. (1963). "Probable Observation of the Josephson Superconducting Tunneling Effect". Physical Review Letters. 10 (6): 230–232. Bibcode:1963PhRvL..10..230A. DOI:10.1103/PhysRevLett.10.230.
7. Clarke, J.; Lee, A.T.; Mück, M.; Richards, P.L. "Chapter 8.3: Nuclear Magnetic and Quadrupole Resonance and Magnetic Resonance Imaging". Lk 56–81. {{cite book}}: puuduv või tühi pealkiri: |title= (juhend) in Clarke & Braginski 2006 harvnb viga: sihtkoht puudub: CITEREFClarkeBraginski2006 (spikker)
8. P. Schmidt; D. Clark; K. Leslie; M. Bick; D. Tilbrook & C. Foley (2004). "GETMAG—A SQUID magnetic tensor gradiometer for mineral and oil exploration". Exploration Geophysics. 35 (4): 297–305.
9. "First Observation of the Dynamical Casimir Effect". Technology Review.
10. Wilson, C. M. (2011). "Observation of the Dynamical Casimir Effect in a Superconducting Circuit". Nature. 479 (7373): 376–379. arXiv:1105.4714. Bibcode:2011Natur.479..376W. DOI:10.1038/nature10561. PMID 22094697.