Приборы на основе сверхпроводимости
Стандартные сверхпроводящие приборы должны быть охлаждены до температуры, не превышающей тысячных долей Кельвина (-273 o C). Тем не менее, в настоящее время ведутся работы по созданию приборов на основе высокотемпературных сверхпроводящих материалов, работающих при температуре 90 K и ниже. Это важный фактор, поскольку для охлаждения может применяться недорогой жидкий азот.
Сверхпроводимость: В 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4, 2 К резко падает до нуля. За это открытие он был удостоен Нобелевской премии.Электрическое сопротивление всех металлов падает с понижением температуры. Однако падение электрического сопротивления до нуля при охлаждении до 0 К является свойством лишь небольшого количества металлов. Особые свойства проявляет ртуть, сопротивление которой резко падает до нуля при температуре 4, 2 K. Электрическое сопротивление сверхпроводниковых материалов падает резко до нуля при охлаждении ниже определённого значения Tc — температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Главное свойство сверхпроводимости заключается в том, что в проводниках не происходит потери энергии. В замкнутой цепи из сверхпроводящих материалов ток может течь в течение тысяч лет. Сверхпроводниками являются такие металлы как свинец (Pb), алюминий (Al), олово (Sn), ниобий (Nb).
Куперовская пара: передача энергии без потерь основана не на обычном движении электронов. Движение электронов в обычных проводниках встречает сопротивление ввиду столкновения с ионной кристаллической решёткой. Сокращение вибраций кристаллической решётки при понижении температуры приводит, до определённой степени, к уменьшению сопротивления. Колебания кристаллической решётки прекращаются при температуре абсолютного нуля, чего не скажешь о столкновениях электронов с решёткой, которые приводят к рассеянию энергии. Таким образом, в обычных проводниках полного падения сопротивления при температуре абсолютного нуля не наблюдается.
В сверхпроводниках электроны, при падении температуры ниже критической температуры, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние, образуют квазичастицу из двух электронов, называемую куперовской парой. Электрон в сверхпроводнике находит себе компаньона, что выгодно с энергетической точки зрения, так как куперовская пара существует на более низком энергетическом уровне. Электроны образуют пары благодаря взаимодействию электрон-ионы (так называемое электрон-фононное взаимодействие). Фононы представляют собой кванты колебательного движения атомов кристалла. Свойства куперовской пары, как квантово-механической реалии, не могут быть объяснены в рамках классической физики. В кристалле имеется огромное количество электронов, которые объединены в пары, при этом понятие одной изолированной пары электронов не имеет никакого смысла. Эти пары перекрывают друг друга, при этом образуется единый массив куперовских пар. Таким образом, в кристалле сверхпроводника энергия не рассеивается. Квантовомеханическая природа куперовской пары даёт возможность обмена лишь дискретным количествам энергии, а не переменным количествам. Для куперовской пары приемлем абсолютно минимальный квант энергии. Если колебательная энергия кристаллической энергии меньше, (вследствие низкой температуры), то куперовская пара не может принять её. Следовательно, при критической температуре куперовские пары будут распространяться беспрепятственно.
Джозефсоновский переход: эффект Джозефсона был предсказан английским физиком Б. Джозефсоном в 1962 году на основе теории сверхпроводимости Бардина — Купера — Шриффера. Джозефсоновский переход — явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника, как показано на рис. ниже (b). Первый переход Джозефсона представлял собой два свинцовых сверхпроводника, разделённых слоем диэлектрика. В настоящее время используется трёхслойная структура из алюминия и ниобия. Электроны могут совершать туннельный переход даже при нулевом напряжении, приложенном к сверхпроводнику.
Если же к переходу приложено напряжение, то ток будет снижаться и колебаться на высокой частоте, пропорциональной напряжению. Отношение между приложенным напряжением и частотой настолько точно, что стандартный вольт определяется в данном случае в терминах частоты колебаний джозефсоновского перехода. Джозефсоновский переход может служить в качестве сверхчувствительного детектора слабых магнитных полей. Он также очень чувствителен к электромагнитным излучениям, например, от микроволновых печей.
(a) джозефсоновский переход, (b) транзистор на эффекте Джозефсона
Транзистор на эффекте Джозефсона: электрод, расположенный рядом с окисью свинца джозефсоновского перехода может влиять на переход посредством ёмкостной связи. Прибор, изображённый на рисунке (b) выше, называется транзистором на эффекте Джозефсона. Главной особенностью транзистора на эффекте Джозефсона является низкая рассеиваемая мощность, что очень важно в таких устройствах как компьютеры. Подобный транзистор является, как правило, частью более сложных сверхпроводящих приборов, таких как сверхпроводящий квантовый интерферометр или устройств на базе сверхпроводной быстрой одноквантовой логики (БОКЛ).
Сверхпроводящий квантовый интерферометр (сквид): (англ. сокр.SQUID от Superconduction quantum interference device) устройство с Джозефсоновским переходом внутри сверхпроводникового кольца. Здесь мы рассматриваем только квантовые интерферометры постоянного тока. Этот прибор высокочувствителен к очень слабым магнитным полям.
К кольцу прикладывается постоянное токовое смещение параллельно переходу Джозефсона (см. рисунок ниже). В отсутствие магнитных полей ток распределяется равномерно между двумя переходами и присоединенный к сквиду вольтметр не покажет падения напряжения. В работающем сквиде при наличии небольшого постоянного смещениея в непосредственной близости от тех точек, в которых критический ток равен нулю, сверхпроводимость туннельных контактов будет разрушена и на присоединенном к интерферометру вольтметре будет показано падение напряжения. В этом случае при изменении магнитного потока даже на тысячные доли кванта (Ф0) рядом с такой точкой на интерферометре будет достаточное напряжение, которое пропорционально величине магнитного поля. Таким образом чувствительность интерферометра к магнитному потоку может достигать порядка 10-5 – 10-6Ф0. С помощью преобразования различных физических величин в поток магнитного поля можно получить сверхчувствительные приборы для измерения тока, температуры или напряжения.
Сверхпроводящий квантовый интерферометр (SQUID): два Джозефсоновских перехода внутри сверхпроводникового кольца. Изменение потока вызывает изменение напряжения на паре Джозефсоновских переходов
Сверхпроводная быстрая одноквантовая логика (БОКЛ): БОКЛ базируется на совершенно иных принципах, чем полупроводниковая технология: быстрая одноквантовая логика основана на явлении квантизации магнитного потока в сверхпроводниках. Поток магнитного поля, создаваемого током в кольце, который представляет собой произведение величины магнитного поля на площадь контура, должен быть равен целому числу квантов магнитного потока. Иными словами, после того как квант входит в кольцо, происходит увеличение тока на некоторую величину, которая зависит от размеров кольца. Если квант выходит из кольца, происходит уменьшение тока на ту же самую величину. Проникновение квантов в кольца и обратно обеспечивается джозефсоновским переходом, который представляет из себя тонкую пленку диэлектрика, например, оксида алюминия Al2O3, находящуюся между двумя слоями сверхпроводящего металла.
Устройства на основе быстрой одноквантовой логики могут работать на частоте свыше 100 ГГц при очень малой рассеиваемой энергии. Устройства изготавливаются методом фотолитографии. Однако для работы требуется охлаждение до 5 К. В качестве областей применения БОКЛ можно назвать высокоточные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, триггеры со счётным входом, сдвиговые регистры, сумматоры и умножители.
Высокотемпературная сверхпроводимость: высокотемпературные сверхпроводники — керамических сплавы, переходящие в сверпроводящее состояние при температуре в 77 К — то есть в жидком азоте, который гораздо дешевле жидкого гелия. Чаще всего в качестве сверхпроводников используются металлы; часто в качестве высокотемпературных проводников выступают купратымедьорганические соединения, получающиеся при взаимодействии солей меди (I) c другими металл-органическими соединениями, например, YBa2Cu3O7-x, критическая температура, Tc = 90 K .
РЕЗЮМЕ:
В большинстве металлов при охлаждении до абсолютного нуля происходит падение сопротивления, которое однако не падает до нуля. В сверхпроводниках происходит резкое падение до нуля при достижении так называемой критической температуры перехода. Обычно, критическая температура перехода Tc лежит в диапазоне от 0 до 10 К.
Куперовская пара — квантово-механическая квазичастица, распространяется по кристаллической решётке.
Электроны способны совершать туннельный переход через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника.
При добавлении третьего электрода в область рядом с переходом можно получить транзистор на эффекте Джозефсона.
Сверхпроводящий квантовый интерферометр (англ. сокр. SQUID) — сверхчувствительный детектор слабых магнитных полей.
БОКЛ, сверхпроводная быстрая одноквантовая логика, позволяет создавать высокочастотные устройства.
Высокотемпературные сверхпроводники — керамические сплавы, критическая температура перехода в сверпроводящее состояние которых Tc, составляет 77 К.