Ülijuhtiv kvantinterferomeeter

Allikas: Vikipeedia
Jump to navigation Jump to search
SQUIDi sensorelement

Ülijuhtiv kvantinterferomeeter (ing. k. SQUID – superconducting quantum interference device) on väga tundlik magnetvoo tuvastamise detektor. See kombineerib füüsikalised nähtused nagu magnetvoo kvantiseerimine ning Josephsoni tunnelefekt.[1] SQUIDid suudavad mõõta ülinõrku magnetvälju – isegi kuni 5aT (5×10−18 T).[2] Sellise seadme müratase on 3 fHz−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 ning 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 madalatemperatuurse siirde korral väga õhuke isolaator. Isolaatoriks võib olla õhuke isoleeriv materjal, mitte-ülijuhtiv metall või siis konstruktsioon, mis kokkupuutepinnal vähendab ülijuhtivust. [1]

Ülijuhtiva kvantinterferomeetri erinevad liigid[muuda | muuda lähteteksti]

Esineb kahte erinevat liiki ülijuhtivaid kvantinterferomeetreid: 1) alalisvoolul põhinevad ja 2) raadiosagedusel põhinevad seadmed.

SQUIDi elektriskeem, kus on sisendvool, SQUIDi kriitiline vool, SQUIDI magnetvoog ning on pinge, mis vastab sellele magnetvoole. X-id tähistavad Josephsoni siiret.

Alalisvoolu SQUID[muuda | muuda lähteteksti]

Alalisvoolu SQUID leiutati 1964. aastal Robert Jaklevici, John J. Lambe, James Mercereau ja Arnold Silveri poolt Fordi Uurimislaborites [5] peale seda kui Brian David Josephson avastas Josephsoni efekti 1962. aastal.[6] Josephsoni efektil põhineva esimese seadme ehitasid John Rowell ja Philip Anderson Belli Laborites 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 genereerib ahelas magnetvälja, mis nullib välise magnetvoo. Indutseeritud vool on ühes ahela osas samasuunaline ning teises osas vastassuunaline algsele voolule . Seega tekib ühes osas vool ning teises osas . Niipea kui vool ühes või teises ahela osas ületab kriitilise voolu , tekib pinge üle kogu sõlme. Kui magnetvoog ahelas tõuseb, siis pinge ostsilleerub perioodiga . Detekteerides voolu väikese muutuse saame tuvastada ka magnetvoo muutuse kuni 10−2. Josephsoni siirdega seostatakse ka avastust, et magnetvoog on ühikuliselt kvantiseeritud. Seega magnetvoo kvant on suurus, mis läbib ülijuhti.

,
kus on magnetvoo kvant, on Plancki nurkkonstant ning on elementaarlaeng

Eeldame perfektset voo kvantiseerimist. Kujutame ette olukorda, kus väline magnetvoog on suurendatud kuni see ületab – poolt magnetvoo kvandist. Kuna ülijuhtiva osa magnetvoog peab olema täisarv magnetvoo kvante, siis SQUID eelistab nüüd energeetiliselt tõsta see ni. Võrreldes algse suunaga on nüüd voolu suund vastupidine. Seega muutub voolu suund igakord kui magnetvoog kasvab poole võrra. Seetõttu kriitiline vool ostsilleerub rakendatud magnetvoo funktsioonina. Kui sisendvooluks on suurem vool kui kriitiline vool , siis SQUID töötab alati takistusena. Pinge on sellisel 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 and . on kriitiline vool. Paremal on perioodiline pingemuutus, mis tekib magnetvoost, mis läbib SQUIDi. Perioodilisus on võrdeline magnetvoo kvandiga .
,
kus on ülijuhtiva ahela pingemuut, on takistus ning ahela voolumuut
,
kus on magnetvoo muut ja on ülijuhtiva ahela eneseinduktsioon

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

kus on SQUIDi kriitiline vool.

Raadiosageduslik ülijuhtiv kvantinterferomeeter (RF SQUID)[muuda | muuda lähteteksti]

RF SQUID leiutati 1965. aastal Robert Jaklevici, John J. Lambe, Arnold Silveri ning James Edward Zimmermanni poolt samas Fordi Uurimislaboris. 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 , võimaldades tuvastada magnetvoo muutuseid suurusjärgus 10−5.[2] Enamik bioloogide poolt tehtud ülinõrkade signaalide uurimisi on tehtud kasutades RF SQUIDi.

SQUIDides kasutatavad materjalid[muuda | muuda lähteteksti]

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 (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[muuda | muuda lähteteksti]

Ülijuhtivate kvantinterferomeetrite väga suur tundlikkus muudab need seadmed kasulikuks erinevates 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 erinevate südamehaiguste diagnoosiks.

Tõenäoliselt on leiavad SQUIDid kõige laialdasemat kasutust magnetomaduste mõõtmise süsteemides (MPMS). Tegemist on süsteemidega, kus mõõdetakse erinevate 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 kõrge 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 kõrge magnetväljaga MRT-süsteemide ees, nagu väiksemad kulud süsteemi ehitamisel ning selle kompaktsus.

Ülijuhtide tehnoloogia areneb pidevalt, mis viib ka SQUIDide uute rakendusteni, et täpsemalt uurida maa sees leiduvaid mineraale [8], ennustamaks maavärinaid ning samuti ka geotermilist energiat. Oma väga kõrge tundlikkuse tõttu kasutati neid isegi gravitatsioonilainete detekteerimisel. Samuti uuritakse selle abil üldrelatiivsusteooria piire [1] ning 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[muuda | muuda lähteteksti]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 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. 2,0 2,1 2,2 Ran, Shannon K’doah (2004). Gravity Probe B: Exploring Einstein's Universe with Gyroscopes (PDF). NASA. p. 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". IEEE Transactions on Applied Superconductivity 17 (2): 699–704. Bibcode:2007ITAS...17..699D. doi:10.1109/TASC.2007.897403. [katkine viide]
  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. PMID 12225013. doi:10.1103/PhysRevLett.89.130801. 
  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". pp. 56–81.  in Clarke & Braginski 2006
  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. Bibcode:2011Natur.479..376W. PMID 22094697. arXiv:1105.4714. doi:10.1038/nature10561.