Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Самый простой квантовый магнитометр состоит из сверхпроводящего кольца с тончайшей диэлектрической перемычкой (илл. 3a). Представим себе, что это кольцо помещают во внешнее магнитное поле, которое вначале, как и ток в контуре, равно нулю. Тогда поток внутри кольца тоже равен нулю. Начнем увеличивать внешнее поле. Пока поле не слишком велико, проходящий через кольцо общий магнитный поток Φ должен оставаться неизменным и равным нулю (см. главу 25, «Квантование магнитного потока в сверхпроводящем кольце»). Для этого необходимо, чтобы создаваемый протекающим по кольцу током I магнитный поток Φ_I в каждый данный момент компенсировал изменение внешнего потока Φ_внеш. По мере возрастания магнитного поля этот ток увеличивается вплоть до достижения критического значения I_к (за счет выбора сопротивления диэлектрической перемычки можно добиться того, что это произойдет при Φ_внеш= Φ₀/2. Здесь Φ₀ = h/2e = 2,07∙10^-15Вб – так называемый квант магнитного потока).

3. a. Сверхпроводящее кольцо с джозефсоновским контактом помещается во внешнее магнитное поле B^→. b. При монотонном росте внешнего потока Φ_внеш = BS полный магнитный поток Φ меняется скачками. c. Величина I сверхпроводящего тока не может превышать критическое значение I_к, определяемое свойствами контакта, и, следовательно, изменяется пилообразно. Ток меняет знак, когда сверхпроводимость в контакте разрушается (здесь мы рассматриваем случай, когда критическое значение тока I_к достигается при увеличении внешнего потока на Φ₀/2)

Как только ток станет равным I_к, сверхпроводимость в месте слабой связи разрушится и в контур войдет квант потока Φ₀. Общий магнитный поток возрастет на один квант. Такое изменение возможно только благодаря разрушению сверхпроводимости в области перемычки, что и делает устройство настолько необыкновенным!

А что произойдет с током? Его величина останется прежней, но направление изменится на противоположное. Действительно, если до вхождения кванта потока Φ₀ ток I_к полностью экранировал внешний поток, то после его вхождения он должен усиливать внешний поток Φ₀/2 до значения Φ₀. Поэтому в момент вхождения кванта потока направление тока скачком меняется на противоположное.

При дальнейшем увеличении внешнего поля ток в кольце начнет уменьшаться, сверхпроводимость в кольце восстановится и поток внутри кольца будет оставаться равным Φ₀. Ток в контуре обратится в ноль, когда внешний поток также станет равным Φ₀, а затем он начнет течь в обратном направлении. Наконец, при значении внешнего потока 3Φ₀/2 ток опять станет равным I_к, сверхпроводимость разрушится, войдет следующий квант потока и т. д. (илл. 3с).

Ступенчатый характер зависимости тока как функции магнитного потока позволяет измерять значение внешнего поля с необычайной точностью. Однако остается проблема измерения тока в кольце с туннельным контактом.

4. Принцип действия СКВИД. Магнитометр состоит из сверхпроводящего кольца с двумя джозефсоновскими контактами. Ток I, протекающий в СКВИД, разделяется на две ветви. Если устройство поместить во внешнее магнитное поле B, то эти два тока интерферируют, что приводит к разнице потенциалов между туннельными контактами, измерение которой позволяет узнать значение поля

Магнитометр СКВИД

Часто в сверхпроводящем кольце вместо одного создается сразу два джозефсоновских контакта. Таким образом получается «сверхпроводящий квантовый интерферометр», или СКВИД (от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device) (илл. 4). Принцип его работы основан на интерференции волновых функций двух сверхпроводящих конденсатов, разделенных джозефсоновскими контактами, которую можно сопоставить с интерференцией, происходящей в двух расположенных рядом щелях Юнга в оптике (см. главу 3, «Квантование магнитного потока в сверхпроводящем кольце»).

С помощью сложных устройств (генераторов, усилителей) СКВИД может измерить колебания потока, намного меньшие, чем квант Φ₀. Он настолько чувствителен, что обнаруживает магнитные поля, возникающие в результате сердечной или мозговой активности! Эти поля в 100 000 раз слабее, чем магнитное поле Земли (величина которого около 5∙10^–5 Тл на ее поверхности). Первые попытки применения СКВИД в медицине, например магнитокардиография и магнитоэнцефалография (илл. 5), относятся к 1970-м годам. Чтобы свести к минимуму влияние магнитного поля Земли на измерения, их выполняли в специальной комнате: стены состояли из трех слоев металла, образующих мощные магнитные экраны, разделенные еще и двумя слоями алюминия, препятствующими проникновению электрического поля. Таким образом, магнитное поле Земли, внутри объема, уменьшалось в 10 000 раз. Однако создание таких помещений обходилось очень дорого. Сегодня благодаря достижениям техники в области сверхпроводников магнитометры уже не требуют наличия магнитного экрана и способны измерять магнитные поля с точностью до 10^–15 Тл! Единственное, что должен сделать пациент, – убрать все металлические предметы, например ключи из кармана.