Paskaita 1.1.3. Superlaidininkai ir kriolaidininkai

Yra 27 gryni metalai ir daugiau nei tūkstantis skirtingų lydinių bei junginių, kurie gali pereiti į superlaidžią būseną. Tai gryni metalai, lydiniai, intermetaliniai junginiai ir kai kurios dielektrinės medžiagos.

Temperatūrai mažėjant metalų elektrinė savitoji varža mažėja, o esant labai žemai (kriogeninei) temperatūrai metalų elektrinis laidumas artėja prie absoliutaus nulio.

1911 m., kai sušalusio gyvsidabrio žiedas buvo atvėsintas iki 4,2 K temperatūros, olandų mokslininkas G. Kammerlingh-Onnes atrado, kad žiedo elektrinė varža staiga nukrito iki labai mažos vertės, kurios negalima išmatuoti. Šis elektrinės varžos išnykimas, t.y. begalinio laidumo atsiradimas medžiagoje buvo vadinamas superlaidumu.

Medžiagos, kurios, atvėsusios iki pakankamai žemos temperatūros, gali virsti superlaidžia būsena, vadinamos superlaidininkais. Kritinė aušinimo temperatūra, kuriai esant įvyksta medžiagos perėjimas į superlaidžią būseną, vadinama superlaidžio pereinamojo laikotarpio temperatūra arba kritine pereinamojo laikotarpio temperatūra Tcr.

Perėjimas į superlaidžią būseną yra grįžtamas. Kai temperatūra pakyla iki Tc, medžiaga grįžta į normalią (nelaidžią) būseną.

Superlaidininkų ypatumas yra tas, kad superlaidžioje grandinėje sukėlus elektros srovę, ji ilgą laiką (metus) cirkuliuos šia grandine be pastebimo stiprumo sumažėjimo ir, be to, be jokio papildomo energijos tiekimo iš išorės. . Kaip nuolatinis magnetas, tokia grandinė sukuria magnetinį lauką supančioje erdvėje.

1933 metais vokiečių fizikai W. Meisneris ir R. Ochsenfeldas atrado, kad superlaidininkai, pereidami į superlaidumo būseną, tampa idealiais diamagnetais. Todėl išorinis magnetinis laukas neprasiskverbia į superlaidų kūną. Jei medžiagos perėjimas į superlaidžią būseną įvyksta magnetiniame lauke, tada laukas „išstumiamas“ iš superlaidininko.

Žinomi superlaidininkai turi labai žemas kritines perėjimo temperatūras Tk. Todėl įrenginiai, kuriuose naudojami superlaidininkai, turi veikti skysto helio aušinimo sąlygomis (helio suskystinimo temperatūra esant normaliam slėgiui yra maždaug 4,2 K). Tai apsunkina ir padidina superlaidžių medžiagų gamybos ir eksploatavimo sąnaudas.

Be gyvsidabrio, superlaidumas būdingas ir kitiems gryniems metalams (cheminiams elementams) ir įvairiems lydiniams bei cheminiams junginiams. Tačiau metalų, tokių kaip sidabras ir varis, nepavyko paversti superlaidžia būsena esant žemiausioms šiuo metu pasiekiamoms temperatūroms.

Superlaidumo reiškinio panaudojimo galimybes lemia perėjimo į superlaidumo būseną Tk temperatūros reikšmės ir kritinis magnetinio lauko stiprumas.

Superlaidžios medžiagos skirstomos į minkštąsias ir kietąsias. Minkštieji superlaidininkai apima grynus metalus, išskyrus niobį, vanadį ir telūrą. Pagrindinis minkštųjų superlaidininkų trūkumas yra maža kritinio magnetinio lauko stiprumo vertė.

Elektrotechnikoje minkštieji superlaidininkai nenaudojami, nes superlaidumo būsena šiose medžiagose išnyksta jau esant silpniems magnetiniams laukams esant mažam srovės tankiui.

Kietieji superlaidininkai apima lydinius su iškreiptomis kristalinėmis gardelėmis. Jie išlaiko superlaidumą net esant santykinai dideliam srovės tankiui ir stipriam magnetiniam laukui.

Kietųjų superlaidininkų savybės buvo atrastos mūsų amžiaus viduryje, o iki šių dienų jų tyrimo ir taikymo problema yra viena svarbiausių šiuolaikinio mokslo ir technikos problemų.

Kietieji superlaidininkai turi keletą savybių:

· atvėsus, perėjimas į superlaidžią būseną vyksta ne staigiai, kaip minkštuosiuose superlaidininkuose, o per tam tikrą temperatūros intervalą;

· kai kurie kietieji superlaidininkai turi ne tik santykinai dideles kritinės perėjimo temperatūros Tk reikšmes, bet ir santykinai dideles kritinės magnetinės indukcijos Bcr reikšmes;

· pasikeitus magnetinei indukcijai, gali būti stebimos tarpinės būsenos tarp superlaidumo ir normaliosios;

· turi polinkį išsklaidyti energiją, kai per juos teka kintamoji srovė;

· superlaidumo savybių priklausomybė nuo technologinių gamybos sąlygų, medžiagos grynumo ir kristalinės struktūros tobulumo.

Pagal technologines savybes kietieji superlaidininkai skirstomi į šiuos tipus:

· santykinai lengvai deformuojamas, iš kurio galima pagaminti laidus ir juostas [niobio, niobio-titano (Nb-Ti) lydiniai, vanadžio-galio (V-Ga)];

· sunkiai deformuojasi dėl trapumo, iš kurių miltelinės metalurgijos metodais gaminami produktai (intermetalinės medžiagos, pvz., niobio stanidas Nb3Sn).

Dažnai superlaidūs laidai yra padengti „stabilizuojančiu“ vario ar kito metalo apvalkalu, kuris gerai praleidžia elektrą ir šilumą, todėl netyčia pakilus temperatūrai galima išvengti superlaidininko bazinės medžiagos pažeidimo.

Kai kuriais atvejais naudojami kompozitiniai superlaidūs laidai, kuriuose daug plonų gijinių superlaidininkų yra uždengti masyviu vario ar kitos ne superlaidžios medžiagos apvalkalu.

Superlaidžių medžiagų plėvelės turi ypatingų savybių:

· kritinė pereinamoji temperatūra Tcr kai kuriais atvejais žymiai viršija birių medžiagų Tcr;

· didelės ribojančių srovių, praeinančių per superlaidininką, vertės;

· mažesnis temperatūros diapazonas pereinant į superlaidžią būseną.

Superlaidininkai naudojami kuriant: mažos masės ir didelio efektyvumo elektros mašinas ir transformatorius; Kabelių linijos, skirtos didelės galios energijai perduoti dideliais atstumais; ypač mažo slopinimo bangolaidžiai; energijos kaupimo įrenginiai ir atminties įrenginiai; elektroninių mikroskopų magnetiniai lęšiai; spausdintinės grandinės induktoriai.

Plėvelinių superlaidininkų pagrindu sukurta nemažai saugojimo įrenginių ir automatikos bei kompiuterinių technologijų elementų.

Iš superlaidininkų pagamintų elektromagnetų apvijos leidžia gauti maksimalias galimas magnetinio lauko stiprio vertes.

Įvairių superlaidžių medžiagų pritaikymo klausimai pradėti kalbėti beveik iškart po superlaidumo reiškinio atradimo. Kamerlinghas Onnesas taip pat tikėjo, kad superlaidininkų pagalba galima sukurti ekonomiškus įrenginius stipriam magnetiniam laukui sukurti. Tačiau realus superlaidininkų naudojimas prasidėjo XX amžiaus šeštajame ir šeštojo dešimtmečio pradžioje. Šiuo metu naudojami įvairių dydžių ir formų superlaidūs magnetai. Jų naudojimas peržengė grynai mokslinių tyrimų ribas, todėl šiandien jie plačiai naudojami laboratorinėje praktikoje, greitintuvų technologijoje, tomografuose ir valdomų termobranduolinių reakcijų įrenginiuose. Superlaidumo pagalba tapo įmanoma labai padidinti daugelio matavimo priemonių jautrumą. Tokie įrenginiai vadinami kalmarai(iš anglų kalbos Superlaidieji kvantinių trukdžių įtaisai). Ypatingas dėmesys turėtų būti skiriamas SQUID įdiegimui į technologijas, įskaitant šiuolaikinę mediciną.

Superlaidininkai šiuo metu plačiausiai naudojami stiprių magnetinių laukų kūrimo srityje. Šiuolaikinė pramonė iš II tipo superlaidininkų gamina įvairius laidus ir kabelius, iš kurių gaminamos superlaidžių magnetų apvijos, kurios sukuria žymiai stipresnius laukus (daugiau nei 20 Teslų) nei naudojant geležinius magnetus.

Superlaidieji magnetai taip pat yra ekonomiškesni. Pavyzdžiui, norint išlaikyti 100 kG lauką variniame solenoide, kurio vidinis skersmuo yra 4 cm, o ilgis 10 cm, reikalinga bent 5100 kW elektros galia, kuri turi būti visiškai pašalinta aušinant vandeniu. magnetas. Tai reiškia, kad per magnetą turi būti pumpuojamas mažiausiai 1 m 3 vandens, o po to toliau aušinamas. Superlaidžioje versijoje toks magnetinio lauko tūris sukuriamas gana paprastai, tereikia sukonstruoti helio kriostatą apvijų vėsinimui, o tai yra paprasta techninė užduotis.

Kitas superlaidžių magnetų privalumas yra tai, kad jie gali veikti trumpojo jungimo režimu, kai laukas yra „užšalęs“ tūryje, užtikrinant praktiškai nuo laiko nepriklausomą lauko stabilumą. Ši savybė labai svarbi tiriant medžiagas branduolinio magnetinio ir elektroninio paramagnetinio rezonanso metodais, tomografuose ir kt.

Kitas superlaidininkų pritaikymas yra guolių ir atramų kūrimas be trinties. Jei virš metalinio žiedo su srove dedama superlaidi sfera, jos paviršiuje dėl Meisnerio efekto indukuojama superlaidžioji srovė, dėl kurios tarp žiedo ir sferos atsiranda atstūmimo jėgos, o rutulys gali kabėti virš žiedas.

Panašų efektą galima pastebėti, jei nuolatinis magnetas yra virš superlaidžio žiedo. Tai gali būti pagrindas, pavyzdžiui, kuriant naujas transporto rūšis. Mes kalbame apie magnetinės levitacijos traukinio sukūrimą, kuriame nebus visiškai jokių nuostolių dėl trinties kelyje. 400 m ilgio tokio superlaidaus kelio modelis Japonijoje buvo pastatytas dar 1970-aisiais. Skaičiavimai rodo, kad magnetinės levitacijos traukinys galės pasiekti net 500 km/val. Toks traukinys „pakils“ virš bėgių 2–3 cm atstumu, o tai suteiks jam galimybę įsibėgėti iki nurodyto greičio.

Šiuo metu plačiai naudojami superlaidūs ertmių rezonatoriai, kurių kokybės koeficientas gali siekti . Viena vertus, tokie įrenginiai leidžia pasiekti aukšto dažnio selektyvumą. Kita vertus, superlaidieji rezonatoriai yra plačiai naudojami superlaidžiuose greitintuvuose, todėl galima žymiai sumažinti galią, reikalingą greitėjančiam elektriniam laukui sukurti.

Naudojant superlaidumą, gali būti sukurti itin greiti elektroniniai kompiuteriai. Kalbame apie vadinamuosius kriotronus – superlaidžius elementus. Tokius įrenginius galima nesunkiai derinti su superlaidžiais atminties elementais. Svarbus kriotronų pranašumas, palyginti su įprastiniais puslaidininkiniais įtaisais, yra energijos poreikio nebuvimas pastovioje būsenoje. Sukūrus Džozefsono sandūras, buvo pasiūlyta jais pakeisti kriotronus ir paaiškėjo, kad tokios sistemos persijungimo laikas yra apie 10 -12 s. Būtent tai atveria plačias perspektyvas kuriant galingus kompiuterius, tačiau kol kas tai tik laboratoriniai pavyzdžiai.

Krioenergetika ir krioelektronika yra laikomos perspektyviausiomis sritimis plačiai naudoti aukštos temperatūros superlaidininkus. Cryoenergetics jau sukūrė gana ilgų (iki kelių kilometrų) laidų ir kabelių gamybos metodą iš bismuto HTSC medžiagų. To jau pakanka gaminti mažiems varikliams su superlaidžiomis apvijomis, superlaidžiais transformatoriais, induktoriais ir tt Remiantis šiomis medžiagomis sukurti superlaidūs solenoidai, užtikrinantys 10 000 Gausų dydžio magnetinius laukus esant skysto azoto temperatūrai (77 K).

Krioelektronikoje buvo sukurta plėvelinių SQUID gamybos technika, kuri savo savybėmis praktiškai nenusileidžia helio analogams. Buvo įvaldyta technika tobuliems magnetiniams ekranams iš HTSC gaminti, ypač biomagnetiniams laukams tirti. Iš HTSC kuriamos antenos, perdavimo linijos, rezonatoriai, filtrai, dažnių maišytuvai ir kt.

Technologinių ir taikomųjų tyrimų tempai yra labai dideli, todėl gali būti, kad pramonė įvaldys gaminių iš aukštos temperatūros superlaidininkų gamybą anksčiau nei bus patikimai išaiškintas metalo oksido junginių superlaidumo pobūdis.

Kontroliniai klausimai

1. Kokia yra elektronų dujų pusiausvyros būsena laidininke, kai nėra elektrinio lauko?

2. Paaiškinkite elektronų dreifo mechanizmą veikiant išoriniam laukui.

3. Kokie ryšiai lemia krūvininkų judrumą puslaidininkiuose? Kokie veiksniai lemia mobilumo dydį?

4. Kas lemia metalų elektrinį laidumą σ n?

5. Dėl ko susidaro metalų elektrinė varža? Kokia jo priklausomybė nuo temperatūros?

6. Ką sako Wiedemann-Franz įstatymas?

7. Kodėl skaičiuojant laidininkų elektrinį laidumą atsižvelgiama į bendrą krūvininkų koncentraciją, jei realiai laidyje dalyvauja tik Fermi elektronai?

8. Pateikite grafiką ir paaiškinkite legiruoto puslaidininkio su skirtingais legiravimo laipsniais laidumo priklausomybę nuo temperatūros.

9. Nurodykite pagrindines superlaidžios būsenos savybes

10. Kokybiškai apibūdinkite superlaidumo mechanizmą, naudodami BCS teoriją.

11. Apibūdinkite superlaidumo taikymo sritis.

Superlaidumo reiškinys naudojamas stipriems magnetiniams laukams sukurti, nes nėra šilumos nuostolių, kai stiprios srovės praeina per superlaidininką ir sukuria stiprius magnetinius laukus. Tačiau dėl to, kad magnetinis laukas ardo superlaidumo būseną, vadinamasis II tipo superlaidininkai, kuriame galimas superlaidumo ir magnetinio lauko sambūvis. Tokiuose superlaidininkuose magnetinis laukas sukelia plonų įprasto metalo siūlų, prasiskverbiančių į mėginį, atsiradimą, kurių kiekvienas turi magnetinio srauto kvantą. Medžiaga tarp gijų išlieka superlaidži. Kadangi II tipo superlaidininke nėra visiško Meisnerio efekto, superlaidumas egzistuoja iki daug didesnių magnetinio lauko H c2 verčių.

Pirmasis pramoninis superlaidumo pritaikymas buvo superlaidžių magnetų su dideliu kritiniu lauku kūrimas.

Kitas praktinis superlaidumo pritaikymas yra susijęs su jautrių elektroninių prietaisų technologija. Eksperimentiniai prietaisų su Josephson kontaktu pavyzdžiai gali aptikti 10–15 W įtampą. Superlaidumo metodai ir ypač Josephson kontaktai daro vis didesnį poveikį metrologijai. Naudojant Josephson kontaktus buvo sukurtas standartas 1 V. Kriogeninei sričiai buvo sukurtas ir pirminis termometras, kuriame naudojami staigūs perėjimai tam tikrose medžiagose, norint gauti etaloninius (pastovius) temperatūros taškus. Naujoji technika naudojama srovės lyginamiesiems, radijo dažnių galios ir sugerties koeficiento matavimams bei dažnio matavimams. Jis taip pat naudojamas atliekant fundamentinius tyrimus, pavyzdžiui, matuojant atominių dalelių dalinius krūvius ir tikrinant reliatyvumo teoriją.

Superlaidumas bus plačiai naudojamas kompiuterinėse technologijose. Čia superlaidūs elementai gali užtikrinti labai greitą perjungimo laiką, nereikšmingus galios nuostolius naudojant plonasluoksnius elementus ir didelį tūrinį grandinės pakavimo tankį. Plonasluoksnių Josephson kontaktų prototipai kuriami grandinėse, kuriose yra šimtai logikos ir atminties elementų.

Įdomiausi galimi pramoniniai superlaidumo pritaikymai yra elektros energijos gamyba, perdavimas ir naudojimas. Kitas galimas superlaidininkų pritaikymas yra galinguose srovės generatoriuose ir mažuose elektros varikliuose. Superlaidžių medžiagų apvijos generatoriuose ir elektros varikliuose gali sukurti milžiniškus magnetinius laukus, todėl jie yra žymiai galingesni nei įprastinės mašinos. Prototipai jau seniai kuriami, o keraminiai superlaidininkai tokias mašinas galėtų padaryti gana ekonomiškas. Taip pat svarstomos galimybės panaudoti superlaidžius magnetus elektrai kaupti, magnetohidrodinamikai ir termobranduolinei energijai gaminti.

Kontroliniai klausimai:

1. Kokie reiškiniai stebimi superlaidumo metu?

A. Savitosios šiluminės talpos šuolis.

b. Nedidelis tūrio pokytis.

V. Staigus ultragarso absorbcijos sumažėjimas.

d. Visa tai, kas išdėstyta aukščiau.

2. Kokias fizines savybes turi superlaidžios būsenos medžiaga?

A. Elektrinio lauko išstūmimas.

b. Didelis tam tikros medžiagos elektrinio lauko stiprumas.

V. Didelis magnetinis pralaidumas.

d) Išstumiant magnetinį lauką, idealus laidumas.

3. Kokiomis sąlygomis superlaidumo būsena subyra?

A. Per superlaidininką praleidžiant tokio dydžio srovę, kad šios srovės sukeltas magnetinis laukas bandinio paviršiuje tampa lygus kritiniam.

b. Veikiant pakankamo dydžio magnetiniam laukui, t.y. kritiškas.

V. Visa tai, kas išdėstyta aukščiau.

4. Kas yra antros rūšies dirigentas?

A. Kūnai, kuriuose elektros krūvis gali judėti per visą savo tūrį.

b. Krūvių perkėlimas į juos nėra lydimas cheminių virsmų.

V. Krūvių perkėlimas į juos sukelia cheminius pokyčius.

d) įstaigos, kuriose nemokamų mokesčių praktiškai nėra.

5. Kokie yra aukštos temperatūros superlaidumo reiškinio tyrimo rezultatai?

A. 1986 m. kritinė perėjimo į superlaidžią būseną temperatūra nukrito daugiau nei 100° k.

b. 1986 m. kritinė perėjimo į superlaidžią būseną temperatūra padidėjo daugiau nei 100° k.

V. 1989 metais kritinė perėjimo į superlaidžią būseną temperatūra nepasikeitė.

d) 1989 m. kritinė perėjimo į superlaidžią būseną temperatūra pakilo daugiau nei 100° k.

Superlaidieji įtaisai, nors ir nėra plačiai naudojami, turi tam tikrų unikalių savybių, kurių nėra įprastuose puslaidininkiniuose įtaisuose. Didelis jautrumas elektrinių signalų stiprinimui, magnetinių laukų aptikimui ir šviesos aptikimui yra labai vertingos savybės. Taip pat galimi dideli perjungimo greičiai, nors šiuo metu jie nenaudojami kompiuteriuose. Įprasti superlaidūs įtaisai turi būti atšaldyti iki kelių laipsnių 0 kelvinų (-273°C). Nors šiuo metu vyksta darbai su įrenginiais, kurių pagrindą sudaro aukštos temperatūros superlaidininkai, tinkami naudoti 90 K ir žemesnėje temperatūroje. Tai svarbu, nes aušinimui gali būti naudojamas nebrangus skystas azotas.

Superlaidumas: 1911 metais Heike Onnes atrado gyvsidabrio (Hg) superlaidumą, už kurį gavo Nobelio premiją. Daugumos metalų elektrinė varža mažėja mažėjant temperatūrai. Tačiau daugumai jų atsparumas nesumažės iki nulio, temperatūrai artėjant prie 0K. Gyvsidabris yra unikalus tuo, kad jo varža smarkiai sumažėja iki nulio omų esant 4,2 kelvino. Superlaidininkai staigiai praranda visą varžą atvėsę žemiau savo kritinės temperatūros, T C. Ypatinga superlaidumo savybė yra energijos nuostolių nebuvimas laidininkuose. Srovė gali tekėti superlaidžio laido kilpa tūkstančius metų. Superlaidininkai yra švinas (Pb), aliuminis (Al), alavas (Sn) ir niobis (Nb).

Cooperio pora: Superlaidumas be nuostolių atsiranda ne tik dėl normalaus elektronų srauto. Elektronų srautas įprastuose laidininkuose susiduria su pasipriešinimu susidūrimo su standžiąja jonine metalo kristaline gardele forma. Kristalinės gardelės virpesių sumažėjimas mažėjant temperatūrai sukelia pasipriešinimo sumažėjimą (iki tam tikro taško). Esant absoliučiam nuliui, gardelės virpesiai sustoja, bet ne energija, išsklaidyta susidūrus elektronams su kristaline gardele. Taigi paprasti laidininkai visiškai nepraranda elektrinės varžos, kai temperatūra lygi absoliučiam nuliui.

Elektronai superlaidininkuose sudaro elektronų poras, vadinamas Kuperio poromis, kai temperatūra nukrenta žemiau kritinio taško, kuriame atsiranda superlaidumas. Kuperio pora egzistuoja, nes jos energijos lygis yra žemesnis, palyginti su nesuporuotais elektronais. Elektronai traukia vienas kitą dėl fononų, kvazidalelių, kurios yra atomų vibracinio judėjimo kvantai, mainų. Ši Cooperio pora, kvantinė mechaninė esybė (dalelė ar banga), nepaklūsta įprastiems fizikos dėsniams. Ši esmė pasklinda per kristalinę gardelę, nesusidurdama su metalo jonais, esančiais gardelės vietose. Taigi jis neišsklaido jokios energijos. Cooperio poros kvantinė mechaninė prigimtis tiesiog leidžia naudoti atskirus, o ne nuolatinius energijos kiekius. Cooperio porai taikoma absoliutaus minimalaus energijos kiekio sąvoka. Jei kristalinės gardelės virpesių energija mažesnė (dėl žemos temperatūros), Kuperio pora nesugebės jos priimti ir neatstums gardelės. Taigi, esant žemesnei nei kritinei temperatūrai, Kuperio porų srautas gali netrukdomas tekėti per kristalinę gardelę.

Džozefsono sankryža: Brianas Josephsonas gavo Nobelio premiją už savo 1962 m. Josephsono sankryžos numatymą. Džozefsono sankryža yra superlaidininkų pora, sujungta plonu dielektriniu tilteliu (kaip parodyta (a) paveiksle žemiau), per kurią elektronai gali sukurti tunelį. Pirmosios Josephsono sandūros buvo švino superlaidininkai su dielektriniu tilteliu. Šiomis dienomis pirmenybė teikiama trigubui aliuminio ir niobio sluoksniui. Elektronai gali tuneliuoti per dielektriką net tada, kai superlaidininkams taikoma nulinė įtampa.

Jei sandūroje įvedama įtampa, srovės dydis mažėja ir atsiranda elektriniai virpesiai, kurių dažnis proporcingas įtampai. Ryšys tarp taikomos įtampos ir dažnio yra toks tikslus, kad dabar standartinė volta yra apibrėžta atsižvelgiant į virpesių dažnį Josephsono sandūroje. Josephsono sankryža taip pat gali būti labai jautrus labai žemo lygio magnetinių laukų detektorius. Jis labai jautrus elektromagnetinei spinduliuotei nuo mikrobangų iki gama spindulių.

Josephsono tranzistorius: elektrodas, esantis arti oksido Josephsono sandūroje, gali paveikti sandūrą per talpinę jungtį. Toks mazgas, parodytas aukščiau esančiame paveikslėlyje (b), vadinamas Josephsono tranzistoriumi. Pagrindinis Josephson tranzistoriaus bruožas yra mažas galios išsklaidymas, kuris yra naudingas didelio tankio grandinėse, pavyzdžiui, kompiuteriuose. Šis tranzistorius paprastai yra sudėtingesnių superlaidžių įrenginių, tokių kaip SQUID (superlaidus kvantinis trukdžių įrenginys) arba RSFQ (greitasis vieno srauto kvantas), dalis.

KALMARIAI: SQUID (superlaidus kvantinių trukdžių įrenginys) – tai Džozefsono jungčių rinkinys superlaidžiame žiede. Šiame straipsnyje aptariamas tik DC SQUID. Šis prietaisas yra labai jautrus silpniems magnetiniams laukams.

DC poslinkis lygiagrečiai taikomas Josephson jungties žiedui, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau. Jei nėra taikomo magnetinio lauko, srovė paskirstoma po lygiai tarp dviejų jungčių ir žiede nesukuriama jokia įtampa.

Nors bet kokia magnetinio srauto (Φ) vertė gali būti taikoma SQUID, tik kvantuota vertė (srauto kvanto kartotinis) gali tekėti per skylę superlaidžiame žiede. Jei taikomas srautas nėra srauto kvanto kartotinis, srauto perteklius bus užgesintas aplink žiedą cirkuliuojančios srovės, kuri sukurs trupmeninę srauto kvanto dalį. Cirkuliacinė srovė tekės ta kryptimi, kuria ji užgesina bet kokį srauto perteklių, viršijantį srauto kvantų kartotinį. Jis gali pridėti arba atimti vertę iš taikomo srauto iki ± (1/2) srauto kvanto. Jei cirkuliacinė srovė teka pagal laikrodžio rodyklę, srovė didėja viršutinėje Džozefsono sandūroje, o mažėja apatinėje.

Dėl linijinio taikomo srauto pokyčio cirkuliacinė srovė pasikeičia sinusinės bangos pavidalu.

Tai galima išmatuoti išmatuojant SQUID įtampą. Didėjant taikomam magnetiniam laukui, galima skaičiuoti įtampos impulsus, kurių kiekvienas atitinka srauto padidėjimą vienu kvantu.

Superlaidus kvantinių trukdžių įtaisas (SQUID): Josephsono jungčių pora superlaidžiame žiede. Srauto pokytis sukuria įtampos pokytį per Josephsono sandūrų porą.

SQUID jautrumas yra 10–14 teslų. Jis gali aptikti magnetinį lauką iš elektros srovių tarp smegenų neuronų (šių magnetinių laukų indukcija yra 10–13 teslų). Palyginimui, Žemės magnetinio lauko indukcija yra 30 x 10 -6 T.

Greita vieno kvantinė logika (BOKL arba RSFQ, greitas vieno srauto kvantas): Užuot emuliavusios silicio puslaidininkines grandines, RSFQ grandinės remiasi naujomis koncepcijomis: magnetinio srauto kvantavimas superlaidininkyje ir srauto kvanto judėjimas sukuria pikosekundės kvantuotos įtampos impulsą. Magnetinis srautas superlaidininkyje gali egzistuoti tik atskirų kvantuotų verčių pavidalu. Magnetinio srauto kvantas naudojamas šiek tiek informacijos pavaizduoti. Impulsams perjungti vietoj įprastų tranzistorių naudojamos Josephsono jungtys. Superlaidininkas yra pagrįstas trigubu aliuminio ir niobio sluoksniu, kurio kritinė temperatūra yra 9,5 K ir atšaldoma iki 5 K.

RSFQ logika veikia dažniais, viršijančiais 100 GHz, su nedideliu energijos išsklaidymu. Gamyba supaprastinama naudojant esamas fotolitografijos technologijas. Tačiau norint, kad jis veiktų, jis turi būti atvėsintas iki 5 kelvinų temperatūros. Realaus pasaulio komercinės programos apima A/D ir D/A keitiklius, T šlepetus, pamainų registrus, atmintis, sumatorius ir daugiklius.

Aukštos temperatūros superlaidininkai:Aukštos temperatūros superlaidininkai yra junginiai, kurie pasižymi superlaidžiomis savybėmis esant aukštesnei nei skysto azoto virimo temperatūrai, kuri yra 77 K. Tai labai svarbu, nes skystas azotas yra lengvai prieinamas ir nebrangus. Dauguma įprastų superlaidininkų yra metalai; dažniausiai naudojami aukštos temperatūros superlaidininkai yra kupratai, mišrūs vario (Cu) oksidai, tokie kaip itrio bario vario oksidas, YBa 2 Cu 3 O 7-x, kurių kritinė temperatūra T C = 90 K. Šiame straipsnyje aprašytų įrenginių versijos, pagrįstos aukštos temperatūros superlaidininkais, yra kuriamos mažiau svarbioms programoms. Nors jie neturi įprastinių metalinių superlaidininkų veikimo, skysto azoto aušinimas yra pigesnis.

Apibendrinkime:

• Daugumos metalų atsparumas mažėja, kai temperatūra artėja prie absoliutaus nulio; nors pasipriešinimas nenukrenta iki nulio. Superlaidininkų varža greitai nukrenta iki nulio, kai jie atšaldomi iki kritinės temperatūros. Paprastai kritinė temperatūra T C yra per 10 kelvinų nuo absoliutaus nulio.
• Kuperio pora, elektronų pora, kvantinė mechaninė esybė, netrukdomai juda per kristalinę gardelę.
• Elektronai gali sukurti tunelį per Joseno sankryžą, izoliuodami tarpą tarp superlaidininkų poros.
• Pridėjus trečiąjį elektrodą arba vartus prie Džozefsono sankryžos susidaro Josephson tranzistorius.
• SQUID (superlaidus kvantinių trukdžių įrenginys) yra labai jautrus magnetinio lauko detektorius. Jis skaičiuoja kvantinius magnetinio lauko vienetus superlaidžiame žiede.
• RSFQ (fast single quantum logic) yra didelės spartos perjungimo įtaisas, pagrįstas superlaidžioje grandinėje esančių magnetinių kvantų perjungimu.
• Aukštos temperatūros superlaidininkai, kurių kritinė temperatūra T C viršija skysto azoto virimo tašką, taip pat gali būti naudojami kuriant šiame straipsnyje aprašytus superlaidžius įtaisus.

Superlaidumo reiškinio panaudojimas technologijose atveria plačias galimybes. Plačiai naudojami galingų pastovių magnetinių laukų šaltiniai solenoidų su apvijomis iš superlaidžių medžiagų pavidalu. Vykdomi superlaidininkų panaudojimo elektros linijose ir daugelyje kitų elektros prietaisų darbai.

Iš visų elementų, galinčių pereiti į superlaidžią būseną, niobio aukščiausia kritinė pereinamojo laikotarpio temperatūra yra 9,17 K (-263,83 °C). Superlaidieji lydiniai, kuriuose yra daug niobio, buvo naudojami praktiškai: 65BT ir 35BT (GOST 10994-74). Lydinyje 65BT yra 22-26% Ti; 63-68% Nb; 8,5-11,5 % Zr, o kritinė pereinamoji temperatūra yra 9,7 K (-263,3 C). Esant T = 4,2 K, kritinės srovės tankio vertės yra 2,8·106 A/m2, magnetinio lauko stipris yra (6-7,2)·106 A/m. Viela iš lydinio 35BT su sudėtimi 60-64% Ti; 33,5-36,5% Nb; Dėl padidėjusio trapumo į vario matricą pilama 1,7-4,3 % Zr.

Abu lydiniai naudojami galingų generatorių, didelės galios magnetų (pavyzdžiui, magnetinės levitacijos traukinių) ir tunelinių diodų (kompiuteriams) apvijoms.

Superlaidininkų, kurie yra diamagnetiniai, gebėjimas išstumti magnetinį lauką naudojamas magnetiniuose siurbliuose, kurie leidžia generuoti milžiniško intensyvumo magnetinius laukus, taip pat kriogeniniuose giroskopuose. Giroskopo armatūra, pagaminta iš superlaidininko, „plūduriuoja“ magnetiniame lauke. Atramų ir guolių nebuvimas pašalina trintį ir padidina giroskopo patvarumą.

Didelė pažanga padaryta siekiant aukštatemperatūrinio superlaidumo. Remiantis metalo keramika, pvz., YBa2 Cu3 Ox sudėtimi, buvo gautos medžiagos, kurių temperatūra Tc perėjimas į superlaidžią būseną viršija 77 K (azoto suskystinimo temperatūra).

Superlaidumo reiškinys naudojamas stipriems magnetiniams laukams sukurti, nes nėra šilumos nuostolių, kai stiprios srovės praeina per superlaidininką ir sukuria stiprius magnetinius laukus. Tačiau dėl to, kad magnetinis laukas ardo superlaidumo būseną, stipriems magnetiniams laukams gauti naudojami vadinamieji magnetiniai laukai. II tipo superlaidininkai, kuriuose galimas superlaidumo ir magnetinio lauko sambūvis. Tokiuose superlaidininkuose magnetinis laukas sukelia plonų įprasto metalo siūlų, prasiskverbiančių į mėginį, atsiradimą, kurių kiekvienas turi magnetinio srauto kvantą. Medžiaga tarp gijų išlieka superlaidži.

Yra fotonų detektoriai, kurių pagrindą sudaro superlaidininkai. Kai kurie naudoja kritinės srovės buvimą, jie taip pat naudoja Josephsono efektą, Andrejevo atspindį ir kt. Taigi, yra superlaidūs vieno fotono detektoriai (SSPD), skirti atskiriems fotonams įrašyti IR diapazone, kurie turi daug pranašumų prieš detektorius. panašaus diapazono (PMT ir kt.), naudojant kitus registracijos būdus.

Mažiausias superlaidininkas buvo sukurtas 2010 m. organinio superlaidininko (BETS)2 GaCl4 pagrindu, kur santrumpa BETS reiškia bizetileno ditiotetraselenafulvaleną. Sukurtas superlaidininkas susideda tik iš keturių porų šios medžiagos molekulių, kurių bendras mėginio ilgis yra apie 3,76 nm.

Panašūs straipsniai