Сверхпроводящий квантовый интерферометр¶

Сверхпроводящий квантовый интерферометр (СКВИД, от англ. SQUID — Superconducting Quantum Interference Device) — это сверхчувствительный магнитометр, основанный на квантовых эффектах в сверхпроводящих цепях, в частности на эффекте Джозефсона и квантовании магнитного потока. Прибор позволяет измерять чрезвычайно малые изменения магнитного поля (до 10⁻¹⁵ Тл) и используется в физике, медицине, геофизике и материаловедении.

¶История

Идея создания устройства, способного регистрировать квантовые интерференционные эффекты в сверхпроводниках, возникла в начале 1960-х годов. В 1962 году британский физик Брайан Джозефсон теоретически предсказал эффект протекания сверхпроводящего тока через тонкий изолирующий слой (эффект Джозефсона), за что в 1973 году получил Нобелевскую премию. Первый экспериментальный СКВИД был создан в 1964 году американскими физиками Робертом Яклевичем, Арнольдом Сильвером и Джоном Лэмом в компании Ford Scientific Laboratory. Устройство представляло собой сверхпроводящее кольцо с одним джозефсоновским переходом (так называемый СКВИД постоянного тока). В 1965 году Джеймс Циммерман и Джон Харт из компании Varian Associates разработали СКВИД с двумя переходами (радиочастотный СКВИД), что значительно упростило его изготовление и эксплуатацию.

В 1970-е годы началось коммерческое производство СКВИДов, в основном для научных исследований. В 1980-е годы с открытием высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) появилась возможность создания СКВИДов, работающих при температуре жидкого азота (77 К), что снизило стоимость и сложность их эксплуатации. В 1990-е годы СКВИДы стали применяться в медицине для магнитоэнцефалографии (МЭГ) и магнитокардиографии (МКГ). В XXI веке развитие нанотехнологий и литографии позволило создавать миниатюрные СКВИДы на основе тонких плёнок и нанопроволок, что расширило их применение в материаловедении и квантовых вычислениях.

¶Принцип работы

Работа СКВИДа основана на двух фундаментальных квантовых эффектах: квантовании магнитного потока в сверхпроводящем кольце и эффекте Джозефсона.

¶Квантование магнитного потока

В сверхпроводящем кольце магнитный поток может принимать только дискретные значения, кратные кванту магнитного потока Φ₀ = h/(2e) ≈ 2,07·10⁻¹⁵ Вб, где h — постоянная Планка, e — заряд электрона. Это связано с тем, что волновая функция сверхпроводящих электронов (куперовских пар) должна быть однозначной при обходе кольца. Изменение внешнего магнитного поля приводит к возникновению незатухающего сверхпроводящего тока, который компенсирует изменение потока так, чтобы полный поток оставался кратным Φ₀.

¶Эффект Джозефсона

Эффект Джозефсона заключается в протекании сверхпроводящего тока через тонкий изолирующий слой (джозефсоновский переход) без приложения напряжения. Ток I через переход связан с разностью фаз φ волновых функций сверхпроводников по обе стороны перехода: I = I_c sin(φ), где I_c — критический ток перехода. При приложении напряжения V разность фаз изменяется во времени: dφ/dt = 2eV/ħ, где ħ — редуцированная постоянная Планка.

¶Интерференция в СКВИДе

СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо, разорванное одним или двумя джозефсоновскими переходами. Внешнее магнитное поле создаёт разность фаз между переходами, пропорциональную магнитному потоку через кольцо. В результате критический ток СКВИДа (максимальный сверхпроводящий ток, который может протекать через устройство) оказывается периодической функцией магнитного потока с периодом Φ₀. Это позволяет измерять изменения магнитного поля с точностью до долей кванта потока.

¶Типы СКВИДов

Существует два основных типа СКВИДов, различающихся конструкцией и способом считывания сигнала:

¶СКВИД постоянного тока (DC SQUID)

DC SQUID содержит два джозефсоновских перехода, включённых параллельно в сверхпроводящее кольцо. При подаче постоянного тока через устройство измеряется напряжение на переходах, которое периодически зависит от магнитного потока. DC SQUID обладает высокой чувствительностью и широко используется в прецизионных измерениях. Для его работы требуется источник постоянного тока и схема обратной связи для стабилизации рабочей точки.

¶Радиочастотный СКВИД (RF SQUID)

RF SQUID содержит один джозефсоновский переход в сверхпроводящем кольце. Он работает в режиме, когда кольцо индуктивно связано с резонансным контуром, возбуждаемым радиочастотным генератором. Изменение магнитного потока вызывает изменение импеданса контура, что регистрируется как изменение амплитуды или фазы радиочастотного сигнала. RF SQUID проще в изготовлении, но менее чувствителен, чем DC SQUID.

¶Высокотемпературные СКВИДы

Высокотемпературные СКВИДы (ВТСП-СКВИДы) изготавливаются из керамических сверхпроводников, таких как YBa₂Cu₃O₇₋δ (YBCO), которые переходят в сверхпроводящее состояние при температуре выше 77 К. Они могут работать при охлаждении жидким азотом, что значительно дешевле и удобнее, чем охлаждение жидким гелием (4,2 К), необходимое для низкотемпературных СКВИДов. Однако их чувствительность обычно ниже, а технология изготовления сложнее из-за хрупкости и анизотропии свойств ВТСП-материалов.

¶Применение

СКВИДы используются в различных областях, где требуется регистрация сверхслабых магнитных полей.

¶Медицина

В медицине СКВИДы применяются для магнитоэнцефалографии (МЭГ) — измерения магнитных полей, генерируемых нейронной активностью мозга. МЭГ позволяет с высокой временной и пространственной точностью локализовать источники эпилептической активности, исследовать когнитивные функции и диагностировать неврологические заболевания. Также используется магнитокардиография (МКГ) — регистрация магнитных полей сердца, что даёт дополнительную информацию по сравнению с электрокардиографией, особенно при диагностике ишемии и аритмий.

¶Геофизика

В геофизике СКВИДы применяются для магнитотеллурического зондирования (МТЗ) — метода исследования глубинного строения Земли по измерениям вариаций естественного электромагнитного поля. СКВИДы позволяют регистрировать сигналы на частотах от 0,001 Гц до 10 кГц, что даёт информацию о структуре коры и мантии до глубин в десятки километров. Также используются для поиска полезных ископаемых, в частности, рудных месторождений, создающих локальные магнитные аномалии.

¶Материаловедение

В материаловедении СКВИДы используются для измерения магнитных свойств материалов, в частности, для магнитометрии образцов малого размера (до микрометров). С их помощью исследуют сверхпроводники, магнитные наночастицы, спиновые стёкла и другие системы с необычными магнитными свойствами. СКВИД-микроскопы позволяют визуализировать распределение магнитного поля на поверхности образца с разрешением до нескольких микрометров.

¶Фундаментальная физика

В фундаментальной физике СКВИДы используются для поиска редких процессов, таких как распад протона, нейтринные осцилляции, а также для проверки квантовой электродинамики и теории относительности. Они применяются в экспериментах по поиску тёмной материи и гравитационных волн. Например, в детекторе гравитационных волн LIGO используются СКВИДы для считывания сигнала с интерферометра.

¶Квантовые вычисления

СКВИДы являются основой для создания кубитов — квантовых битов, используемых в квантовых компьютерах. Сверхпроводящие кубиты на основе джозефсоновских переходов (например, кубиты на заряде, потоке или фазе) управляются с помощью СКВИДов, которые позволяют считывать их состояние и осуществлять квантовые операции. В 2019 году компания Google (организация признана иноагентом в РФ) объявила о достижении «квантового превосходства» на процессоре Sycamore, содержащем 53 сверхпроводящих кубита.

¶Интересные факты

• Чувствительность СКВИДа настолько высока, что он способен регистрировать магнитные поля, в 10¹⁰ раз слабее магнитного поля Земли.
• Первые СКВИДы работали при температуре жидкого гелия (4,2 К), что требовало сложной криогенной техники. Современные высокотемпературные СКВИДы могут работать при температуре жидкого азота (77 К).
• СКВИДы используются в системах неразрушающего контроля для обнаружения дефектов в металлических конструкциях, например, в самолётах и мостах.
• В 2000-х годах были разработаны СКВИДы на основе углеродных нанотрубок, что позволило создать датчики размером в несколько нанометров.

¶Источники

• Джозефсон Б. Д. Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелировании // Physics Letters. — 1962. — Т. 1. — С. 251–253.
• Яклевич Р., Сильвер А., Лэм Дж. Сверхпроводящий квантовый интерферометр // Physical Review Letters. — 1964. — Т. 12. — С. 159–161.
• Кларк Дж. СКВИДы: сверхпроводящие квантовые интерферометры // Scientific American. — 1988. — Т. 258. — С. 46–53.
• Кох Р. Х., Ван Харлинген Д. Дж. СКВИДы: принципы и применение // Advances in Physics. — 1996. — Т. 45. — С. 1–96.
• Фальковский Л. А. Сверхпроводящие квантовые интерферометры // Успехи физических наук. — 2004. — Т. 174. — С. 1069–1092.