Студопедия
Обратная связь


Авиадвигателестроения Административное право Административное право Беларусии Алгебра Архитектура Безопасность жизнедеятельности Введение в профессию «психолог» Введение в экономику культуры Высшая математика Геология Геоморфология Гидрология и гидрометрии Гидросистемы и гидромашины История Украины Культурология Культурология Логика Маркетинг Машиностроение Медицинская психология Менеджмент Металлы и сварка Методы и средства измерений электрических величин Мировая экономика Начертательная геометрия Основы экономической теории Охрана труда Пожарная тактика Процессы и структуры мышления Профессиональная психология Психология Психология менеджмента Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении Социальная психология Социально-философская проблематика Социология Статистика Теоретические основы информатики Теория автоматического регулирования Теория вероятности Транспортное право Туроператор Уголовное право Уголовный процесс Управление современным производством Физика Физические явления Философия Холодильные установки Экология Экономика История экономики Основы экономики Экономика предприятия Экономическая история Экономическая теория Экономический анализ Развитие экономики ЕС Чрезвычайные ситуации ВКонтакте Одноклассники Мой Мир Фейсбук LiveJournal Instagram


Физические основы СКВИД - микроскопии

<== предыдущая статья | следующая статья ==>

 

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/Гц1/2.

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.

Рис. 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/Гц1/2. 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.

 

<== предыдущая статья | следующая статья ==>





 

Читайте также:

Архитектура кантилеверных датчиков и систем контроля за положением кантилеверов

Понятия экспертной системы и искусственной нейросети

Ядерный магнитный резонанс

Квантовый осциллятор на базе электромеханического резонатора

Эффект Штарка

Физическая природа туннельного эффекта

Практическое применение атомного силового микроскопа

Сравнительные характеристики аналитических возможностей различных типов иммуносенсоров

Физические основы построения измерительных устройств с использованием связанных колебаний осцилляторов

Физические основы магнитнорезонансной томографии

Датчики и микроактюаторы на основе MEMS-технологий

Теоретические основы построения и функционирования искусственных нейроноподобных устройств

Ядерный гамма-резонанс

Вернуться в оглавление: Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении

Просмотров: 1286

 
 

© studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам. Ваш ip: 54.80.29.228