Сверхпроводящие материалы в электронике. Магнитометр на СКВИДах
Московский государственный институт электроники и математики
(технический университет)
Курсовая работа
для представления на кафедру «Материаловедение»
на тему:
Магнитометры на СКВИДах.
Выполнил: Подчуфаров А.И.
Преподаватель: Петров В.С.
Зачтено: 04.06.96
ФИТ ЭП-41
Москва 1996 г.
Содержание:
1. Сверхпроводимость. Основные параметры сверхпроводников.....3
2. Эффект Джозефсона.........................................................................4
3. Магнитометр....................................................................................5
4. Сверхпроводящий материал - соединение Nb3Sn...........................8
5. Получение джозефсоновских переходов.........................................9
6. Список литературы..........................................................................13
1. Сверхпроводимость. Основные параметры сверхпроводников.
Явление сверхпроводимости состоит в том, что при некоторой температуре, близкой к абсолютному нулю, электросопротивление в некоторых материалах исчезает. Эта температура называется критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние.
Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов (Тк £ 23К), а также у керамик (Тк > 77,4К – высокотемпературные сверхпроводники.)
Сверхпроводимость материалов с Тк £ 23К объясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, противоположными спинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки – фононами. Все пары находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат.
Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняется взаимодействием электронов с каким-либо другими квазичастицами.
По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводники делятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода.
Сверхпроводники первого рода при помещении их в магнитное поле
«выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю
(эффект Мейсснера). Напряжонность магнитного поля, при котором разрушается
сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим
магнитным полем Нк. У сверхпроводников второго рода существует
промежуток напряженности магнитного поля Нк2 > Н > Нк1,
где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии.
Нк1 – нижнее критическое поле, Нк2 – верхнее критическое
поле. Н < Нк1 –
индукция в сверхпроводнике второго рода равна нулю, Н > Нк2
– сверхпроводимость нарушается. Через идеальные сверхпроводники второго рода
можно пропускать ток силой: (критический ток). Объясняется это тем, что поле, создаваемое
током, превысит Нк1, вихревые нити, зарождающиеся на поверхности
образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрь образца с выделением
тепла, что приводит к потере сверхпроводимости.
Tk, Нк1, Нк2, некоторых металлов и соединений:
Вещество
Тк К
m0Нк1 Тл
m0Нк2 Тл
Pb
7.2
0.55
Nb
9.2
0.13
0.27
Te
7.8
V
5.3
Ta
4.4
Sn
3.7
V3Si
17.1
23.4
Nb3Sn
18.2
24.5
Nb3Al
18.9
Nb3Ga
20.3
34.0
Nb3Ge
23.0
37.0
(Y0.6Ba0.4)2CuO4
96
160±20
Y1.2Ba0.3CuO4-8
102
18 при 77К
2. Эффект Джозефсона.
Если два сверхпроводника соединить друг с другом «слабым» контактом, например тончайшей полоской из диэлектрика, через него пойдет туннельный сверхпроводящий ток, т.е. произойдет туннелирование сверхпроводящих куперовских пар. Благодаря этому обе системы сверхпроводников связаны между собой. Связь эта очень слаба, т.к. мала вероятность туннелирования пар даже через очень тонкий слой изолятора.
Наличие связи приводит к тому, что в следствии процесса обмена парами состояние обеих систем изменяется во времени. При этом интенсивность и направление обмена определяется разностью фаз волновых функций между системами. Если разность фаз j=j1 - j2, тогда из квантовой механики следует . Энергии в точках по одну и другую сторону барьера Е1 и Е2 могут отличаться только если между этими точками существует разность потенциалов Us. В этом случае (1).
Если сверхпроводники связаны между собой с одной стороны и разделены слабым контактом с другой, то напряжение на контакте можно вызвать, меняя магнитный поток внутри образовавшегося контура. При этом . Учитывая, что квант потока и поток Ф через контур может быть лишь nФ0, где n=0,±1,±2,±3,... Джозефсон предсказал, что (2)
Где:
Is – ток через контакт
Ic – максимальный постоянный джозефсоновский ток через контакт
j -- разность фаз.
Из (1), (2) следует .
Поскольку на фазовое соотношение между системами влеяет магнитное поле, то сверхпроводящим током контура можно управлять магнитным полем. В большинстве случаев используется не один джозефсоновский контакт, а контур из нескольких контактов, включенных параллельно, так называемый сверхпроводящий квантовый интерферометр Джозефсона (СКВИД). Величина магнитного поля, необходимого для управления током, зависит от площади контура и может бать очень мала. Поэтому СКВИДы применяют там, где нужна большая чувствительность.
Известны несколько типов джозефсоновских контактов, но наиболее распространены следующие:
изолятор
» 1нм сверхпроводники
туннельный переход переход типа «мостик»
3. Магнитометр.
Магнитометр - прибор на основе джозевсоновских переходов, применяющийся для измерения магнитного поля и градиента магнитного поля. В магнитометрах используются СКВИДы 2х типов: на постоянном токе и переменном. Рассмотрим магнитометр на СКВДах постоянного тока.
Страницы: 1, 2
