Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Том 1 - Киршвинк Дж.
ISBN 5-03-001274-5
Скачать (прямая ссылка):
Важную роль в работе сквид-магнитометра играет квантование магнитного потока в кольце из сверхпроводника, которое было предсказано Лондоном (London, 1950), а наблюдалось Дивером и Фейр-бэнком (Deaver, Fairbank, 1961) одновременно с Доллом и Набауэром (Doll, Nabauer, 1961). Охлаждение кольца из сверхпроводящего материала во внешнем магнитном поле до температуры, меньшей температуры перехода, приводит вследствие эффекта Мейснера к выталкиванию потока из материала кольца; при этом часть потока захватывается в отверстии. Захваченный поток всегда кратен кванту потока Ф0 = h/2e, где h = 6,624 • 10“ 34 Дж • с - постоянная Планка, е = = 1,602- 1019 Кл-заряд электрона. Если поток, создаваемый внешним полем в отверстии кольца, не равен целому числу квантов потока, то на поверхности кольца возникает ток, необходимый для выполнения условий квантования суммарного потока в отверстии от внешних источников и от токов на поверхности. Квант потока Ф0 составляет 2,07 • 10“15 Вб, или 2,07-10“1 Мкс, так что соответствующий ток в кольце обычно очень мал.
Явление квантования потока нашло практическое применение только после того, как на основе теории, разработанной Джозефсоном
(Josephson, 1962), были созданы приборы для измерения магнитного поля. Джозефсон рассмотрел прохождение тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. В таком устройстве, называемом контактом Джозефсона (рис. 4.1), волновые функции купе-ровских пар сохраняют конечные значения и за пределами сверхпроводников, определяя, таким образом, возможность перехода пар через диэлектрический барьер.
Типичные контакты Джозефсона в отсутствие сверхпроводимости имеют сопротивления порядка нескольких ом. С возникновением сверхпроводящего состояния при достаточно низкой температуре сопротивление исчезает и начинается туннелирование куперовских пар через барьер при нулевом напряжении на приборе.
Чтобы понять, как это происходит, вернемся к основному в теории сверхпроводимости представлению о коррелированном движении куперовских пар с одинаковыми фазами волновых функций. В джозеф-соновском контакте два сверхпроводника находятся так близко друг к другу, что из-за туннелирования устанавливается определенная разность фаз между волновыми функциями пар по разные стороны контакта. Джозефсон предсказал, что в этом случае пары будут двигаться преимущественно в одном направлении, так чтобы пара, преодолев диэлектрический барьер, оказалась на другой его стороне в фазе, соответствующей фазе пар в этой области. Переходов в обратном направлении, вообще говоря, не будет, поскольку при этом не возникает равенства фаз туннелирующих пар и пар в сверхпроводнике за барьером. Таким образом, ток через контакт оказывается зависящим от разности фаз волновых функций куперовских пар в сверхпроводниках по разные его стороны.
Фаза куперовских пар является функцией векторного потенциала А внешнего магнитного поля. Поэтому приложение поля к джозефсо-новскому контакту приводит к изменению фазовых соотношений и, следовательно, к пространственной модуляции тока в контакте. Это
Ток через контакт
Рис. 4.1 Джозефсоновский контакт.
показано в верхней части рис. 4.2 вертикальными стрелками, длина которых пропорциональна плотности тока. Суммарный ток через контакт в этой ситуации характерным образом зависит от внешнего магнитного поля (рис. 4.2), что позволяет измерять магнитное поле таким прибором. Однако его чувствительность мала, поскольку для создания потока, равного одному кванту, через обычно очень малую площадь поперечного сечения перехода нужно сравнительно большое поле #0. Чтобы существенно повысить чувствительность к магнитному полю, можно использовать два контакта Джозефсона.
Рассмотрим такое применение джозефсоновских контактов на примере разработанного Кларком (Clarke, 1974) сквида постоянного тока (ПТ-сквида). Устройство состоит из двух одинаковых контактов, включенных в сверхпроводящее кольцо так, как это схематически показано на рис. 4.3. Через прибор пропускается постоянный ток смещения I. В отсутствие внешнего магнитного поля этот ток равен просто удвоенному току, текущему через каждый из контактов. Когда перпендикулярно плоскости кольца приложено поле, то его векторный потенциал направлен вдоль тока в половине кольца, содержащего один из контактов, и навстречу току в другой его половине. В результате эти два тока интерферируют в точке Р с разностью фаз, зависящей от величины поля, так что максимумы полного тока достигаются, когда поток Фа внешнего
н=о
н=н0/ г
А
н~нй
н=ъна/г
Рис. 4.2. А. Распределение тока в джозефсоновс-ком контакте при различ-вых значениях внешнего магнитного поля (длина стрелок пропорциональна плотности тока), Б. Зависимость силы тока через контакт от магнитного поля.
О
г
3
4
5
Н/На
Рис. 4.3. Сверхпроводящее кольцо с двумя джозефсоновскими контактами.
поля через площадь кольца кратен кванту потока Ф0. Зависимость полного тока от потока внешнего поля (рис. 4.4) аналогична зависимости интенсивности света от длины волны при дифракции Фраунгофера на двух щелях. Интерференционный характер явлений, происходящих в приборах, подобных рассмотренному, отражен в их названии -сверхпроводящие квантовые интерференционные датчики. В сквидах джозефсоновские контакты включены в сверхпроводящее кольцо, площадь которого значительно больше, чем площадь поперечного сечения контакта. Это и приводит к существенному увеличению чувствительности таких приборов к магнитному полю.
