Эффект Джозефсона в сочетании с явлением квантования магнитного по- тока послужили основой для создания целого семейства сверхчувствитель- ных измерительных приборов. Они называются «сверхпроводящие кванто- вые интерференционные приборы» или «СКВИДы» (по сочетанию первых букв соответствующих английских слов Superconducting Quantum Inter- ference Devices1). Об одном из них — квантовом магнитометре (приборе для измерения слабых магнитных полей) — мы и хотим рассказать. Простейший квантовый магнитометр состоит из сверхпроводящего кольца, в цепь которого включен джозефсоновский элемент (рис. 24.5). Как вы уже знаете, для того чтобы возник ток в нормальном туннель- ном контакте, к нему надо приложить хотя бы небольшое напряжение. А вот в сверхпроводящем контакте это не обязательно. Если в кольце создать сверхпроводящий ток, то он сможет течь и через джозефсонов- ский элемент: сверхпроводящие пары будут туннелировать через тонкий слой диэлектрика. Такое явление называют стационарным (постоянным во времени) эффектом Джозефсона, в отличие от нестационарного эффекта, сопровождаемого излучением (о нем было рассказано в предыдущем раз- 1 Любопытно, что если в полном русском названии заменить слово «приборы» на сло- во «детекторы» (а это только уточнит название, укажет на использование этих приборов как регистраторов), то сокращенное название будет звучать и по-русски, и по-английски одинаково. 219 деле). Существует, однако, максимально допустимое для контакта значе- ние сверхпроводящего тока (его называют критическим током контакта /к). При токе, большем критического, сверхпроводимость в контакте разруша- ется и на нем обязательно появляется напряжение (эффект Джозефсона становится нестационарным). Рис. 24.5: Электрический ток и магнитный поток через сверхпроводящее кольцо со слабой связью. Фвх,=Ф0/2 с Итак, при включении в сверхпроводящий контур джозефсоновского элемента не происходит полного разрушения сверхпроводимости, но в контуре появляется место, в котором сверхпроводимость ослаблена (как говорят, возникает слабая связь). Именно на этом основано использова- ние такого контура для точного измерения магнитных полей. Постараемся понять, как это делается. Если бы контур был полностью сверхпроводящим (не содержал слабой связи), то магнитный поток через его площадь был бы строго постоянным. Действительно, согласно закону электромагнитной индукции всякое изме- нение внешнего магнитного поля приводит к возникновению э.д.с. индукции ?, = — ДФвнеш/Д^ а значит, к изменению тока в контуре. Но изменяю- щийся ток в свою очередь порождает э.д.с. самоиндукции ?;s = —LA//At. Поскольку падение напряжения в сверхпроводящем контуре равно нулю (сопротивление равно нулю), алгебраическая сумма этих э.д.с. тоже равна нулю: Si + ^ = О, или АФвнеш , , А/ 220 Глава 24. Что такое сквид? Отсюда следует, что при изменении внешнего магнитного потока сверхпро- водящий ток в контуре меняется так, чтобы изменение магнитного потока, создаваемого током, компенсировало изменение внешнего потока (пра- вило Ленца). При этом полный магнитный поток через контур остается постоянным: Ф = const. Изменить его, не переводя контур в нормальное состояние, нельзя (говорят, что в сверхпроводящем контуре магнитный поток «заморожен»). А что произойдет, если сверхпроводящий контур содержит слабую связь? Оказывается, что магнитный поток через такой контур может ме- няться — через слабую связь в контур проникают кванты потока (как вы уже знаете, магнитный поток сверхпроводящего тока квантуется — он равен целому числу квантов потока Фо). Давайте проследим, как меняются магнитный поток внутри сверхпро- водящего кольца со слабой связью и величина тока в кольце при изменении внешнего магнитного поля. Пусть вначале внешнее поле и ток в контуре равны нулю (рис. 24.5, а). Тогда поток внутри контура тоже равен нулю. Будем увеличивать внешнее поле — в контуре появится сверхпроводящий ток, магнитный поток которого в точности компенсирует внешний поток. Так будет продолжаться до тех пор, пока ток в контуре не достигнет кри- тического значения /к (рис. 24.5, б). Предположим для определенности, что в этот момент внешнее поле создаст поток, равный половине кванта:1 Фо/2. Как только ток станет равным /к, сверхпроводимость в месте слабой связи разрушится, и в контур войдет квант потока Фо (рис. 24.5, б). При этом отношении Фвнут/Фо скачком увеличится на единицу (как говорят, сверхпроводящий контур перейдет в новое квантовое состояние). А что произойдет с током? Его величина останется прежней, но направление изменится на противоположное. Действительно, если до вхождения кванта потока Фо ток /к полностью экранировал внешний поток Фо/2, то после вхождения он должен усиливать внешний поток Фо/2 до значения Фо. Поэтому в момент вхождения кванта потока направление тока скачком меняется на противоположное. При дальнейшем увеличении внешнего поля ток в кольце начнет умень- шаться, сверхпроводимость в кольце восстановится и поток внутри коль- ца будет оставаться равным Фо- Ток в контуре обратится в нуль, когда внешний поток также станет равным Фо (рис. 24.5, г), а затем он начнет течь в обратном направлении (опять экранировка!). Наконец, при значении 1 Критический ток зависит от многих причин, в частности — от толщины слоя диэлектрика. Меняя ее, всегда можно добиться того, чтобы создаваемый этим током магнитный поток, а значит и внешний магнитный поток, был равен Фо/2. Это упрощает рассмотрение, но не меняет существа дела. 221 внешнего потока ЗФо/2 ток опять станет равным /к, сверхпроводимость разрушится, войдет следующий квант потока и т. д. Графики зависимости магнитного потока Фвнут внутри кольца и тока / в нем от величин внешнего потока Фвнеш показаны на рис. 24.6 (оба потока измеряются в естественных единицах — квантах потока Фо). Ступенчатый характер зависимости позволяет «чувствовать» отдельные кванты потока, хотя величина их очень мала (порядка 10"~15 Вб). Нетрудно понять почему. Магнитный поток внутри сверхпроводящего контура изменяется хотя и на малую величину АФ = Фо, но скачком, то есть за очень короткий проме- жуток времени At. Так что скорость изменения магнитного потока АФ/At при этом скачкообразном характере изменения потока оказывается очень большой. Ее можно измерить, например, по величине э.д.с. индукции, на- водимой в специальной измерительной катушке прибора. В этом и состоит принцип работы квантового магнитометра. -In Рис. 24.6: Магнитный поток (а) через сверхпроводящее кольцо со слабой связью и протекающий в нем электрический ток (б) как функция внешнего магнитного потока. Устройство реального квантового магнитометра в действительности много сложнее. Так, обычно используют не одну, а несколько слабых связей, включенных параллельно,— своеобразная интерференция сверх- проводящих токов (а точнее, соответствующих им волн, определяющих «размазывание» сверхпроводящих электронов в пространстве) приводит к повышению точности измерений (поэтому такие приборы и называются интерференционными). Чувствительный элемент прибора индуктивно свя- 222 Глава 24. Что такое сквид? зывают с катушкой колебательного контура, где скачки потока преобра- зуются в импульсы напряжения, которые затем усиливаются. Но рассказ обо всех этих тонкостях выходит за рамки нашей книги. Заметим, что в наши дни сверхчувствительные магнитометры, измеря- ющие магнитные поля с точностью до 10~15 Тл,— это уже промышленная продукция, находящая применение в измерительной технике. Они исполь- зуются и в медицине. Оказывается, что при работе сердца, мозга, мышц в окружающем пространстве возникают чрезвычайно слабые, но уже изме- римые с помощью СКВИДов магнитные поля (так, индукция магнитного поля, обусловленного сердечной деятельностью, В « 3 ¦ 10~" Тл, что примерно в сто тысяч раз меньше магнитного поля Земли). Регистрацию таких полей называют снятием магнитокардиограммы, магнитоэнцефал- лограммы и т.д. Снятие и изучение таких характеристик человеческого организма, ставшие возможными в последние годы благодаря развитию практической сверхпроводимости, принципиально изменили возможности диагностики различного рода заболеваний. 1 шш /ш Рис. 24.7: Первые магнитокардиограммы снимали в ¦ специальных камерах. ¦ 223 Эксперименты в этой области начались в 70-х годах. При этом, для сведения к минимуму влияния магнитного поля Земли, такие измерения проводились в специально сконструированных экранированных комнатах. Такая комната изготавливается из трех слоев металла с высокой магнитной проницаемостью, которые обеспечивают высокое магнитное экранирова- ние, и двух слоев алюминия, образующих электрический экран, рис. 24.7. Эти предосторожности позволили понизить магнитное поле внутри комна- ты всего до нескольких наноТесла (т. е. в десятки тысяч раз по сравнению с магнитным полем Земли). ¦¦- •-- == Рис. Ш 24 m .8 ii w 1ВВИ Щ ггГ: : Современная 1 •Л h магнитокардиограмма "Т.." 71 —•:¦¦-. •л— Однако иметь такую комнату — удовольствие не из дешевых. Даль- нейшее развитие этой перспективной области применения СКВИДов при- вело к существенному прогрессу и упрощению процедуры снятия магни- токардиограммы. Так, сегодня с помощью современной сверхпроводящей техники четкую магнитокардиограмму можно снять и в отсутствие всяких экранов (рис. 24.8). Единственное, что необходимо — устранить металли- ческие застежки и содержимое левого кармана рубашки.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Квантовый магнитометр» з дисципліни «Дивовижна фізика»
