Контакт джозефсоновский

Постоянная интегрирования пь (1.7) должна быть целочисленной 0 1 2,. .. Это можно установить, рассмотрев переход к массивному сверхпроводящему кольцу, чго соответствует резкому увеличению критического тока контакта. Задача о нахождении стационарных состояний такого кольца аналогична задаче квантования электронных орбит в атоме водорода. В результате магнитный поток внутри кольца может принимать только дискретные значения, кратные кванту магнитного потока =h 2e = = 2,07 10" Вб. Эта величина употреблена нами в формулировке нестационарного эффекта Джозефсона (1.2) и формуле (1.7). Из последней видно, чго имеется ряд состояний с нулевой разностью фаз на контакте, а значит, без тока через него. Эти состояния различаются числом квантов потока через кольце. В пределах же одного периода по связь между фазой и магнитным потоком однозначна. Явление это получило название макроскопической квантовой интерференции, хотя здесь и трудно провести наглядную параллель, например с более привычной интерференцией волн на поверхности воды. Название это связано с тем, что первые эксперименты с парой джозефсоновских контактов в сверхпроводящем кольце математически хорошо описывались в терминах интерференции волн от двух когерентных источников [9]. Оно и породило термин сквид для измеряющего магнитное поле прибора в виде сверхпроводящего кольца с одним или двумя джозефсоновскими переходами. [c.11]

Если оба берега джозефсоновского контакта замкнуть сверхпроводником так, что образуется кольцо, то получится система, в которой магнитный поток Ф, пронизывающий кольцо, оказывается жестко связанным с разностью фаз 9 на контакте ). Действительно, поскольку напряжение на контакте связано с изменением магнитного потока в кольце равенством [c.11]

Движение электронов в системе сверхпроводник — джозефсоновский контакт - сверхпроводник описывается комплексной волновой функцией ф для спаренных электронов, несущих сверхпроводящий ток. Фаза этой функции быстро меняется от одного сверхпроводящего берега контакта к другому. Джозефсон показал, что измеряемая в радианах разность фаз в волновой функции на берегах по обе стороны контакта [c.9]

Здесь h — постоянная Планка, е — заряд электрона, о величине <ро будет сказано ниже. Это явление может быть использовано для преобразования напряжения в частоту с коэффициентом 483,6 МГц на один микровольт, что удобно для СВЧ- и субмиллиметрового диапазонов. Джозефсоновский контакт может служить и приемником в СВЧ-диапазоне, однако эти приложения здесь рассматриваться не будут - они изложены в [1,2]. [c.10]

Рис. 4.3. Сверхпроводящее кольцо с двумя джозефсоновскими контактами.

Рис. 2. Примеры джозефсоновских контактов, получаемых методом напыления в

В магнитометрах, применяющихся в биологии и геофизике, до сих пор использовались в основном не ПТ-сквиды, которые могут обеспечить более высокую чувствительность, а высокочастотные сквиды (ВЧ-сквиды). Состояние сверхпроводящего кольца в таких приборах определяют методами радиочастотной электроники. Сверхпроводящее кольцо ВЧ-сквида включает один джозефсоновский контакт (или так называемое слабое звено), через который может идти сверхпроводящий ток. Размеры контакта, переходящего в определенные моменты работы сквида в нормальное состояние, для достижения необходимых характеристик устройства должны быть достаточно малы по сравнению с размерами кольца. [c.153]

Другая потенциальная область использования нитридов — сверхпроводящие схемы. Предполагается использовать нитриды при изготовлении миниатюрных пленочных соленоидов, Q-индукторов, джозефсоновских контактов и болометров. Особенно перспективны эти материалы для джозефсоновских контактов их тугоплавкость и коррозионная стойкость приводят к слабой диффузии и, как следствие этого, к устойчивости контакта во времени. Контакты, используемые в настоящее время, химически неустойчивы после нескольких циклов между температурами комнатной и жидкого гелия. [c.18]

Рис. 1.4. Схематическое представление джозефсоновских контактов

Джозефсоновские контакты работают только при температуре сверхпроводимости, т.е. в области нескольких градусов Кельвина, что обычно достигается охлаждением с помощью жидкого гелия (температура его кипения при атмосферном давлении 4,2 К). Это порождает определенные технические трудности. Вместе с тем именно работа при низкой температуре, когда сильно уменьшены тепловые шумы датчика, позволяет создавать предельно чувствительные приборы. [c.9]

Точечный контакт. Этот тип джозефсоновского контакта появился ранее других, что связано со сравнительно простой технологией его изготовления, доступной многим лабораториям. Точечный контакт образуется при соприкосновении остро заточенного винта (радиус закругления меньше микрона), сделанного из металла, сверхпроводящего при гелиевой температуре, обычно ниобия, с плоской поверхностью из того же материала. Как правило, перед сборкой винт окисляют нагреванием на воздухе (возможно также химическое окисление или быстрое прокаливание в пламени) до образования пленки окисла, придающей металлу характерный желтый или синий цвет. Для получения джозефсоновского точечного контакта острие несколько вдавливается в плоскую поверхность, образуя площадку контакта диаметром около 10 мкм. В результате возникает система, которую трудно отнести к теоретически простым типам, так как она содержит, вероятно, и прямой контакт малого сечения в том месте, где было острие, и аналог туннельной структуры - там, где произошло расплющивание и где металлы разделены слоем окисла. Несмотря на то, что такой точечный контакт отнюдь не похож на тот, который имел в виду Джозефсон, он оказался очень удачным практическим устройством, хорошо описываемым теорией и удобным в работе. На первых порах точечные контакты отличались заметной нестабильностью, что проявлялось в резком изменении их критического тока, а иногда и в полном разрушении контакта при тепловых циклированиях от комнатной температуры до гелиевой. В дальнейшем усовершенствование процедуры настройки контакта, применение аккуратных методик работы и использование защитных ампул позволили создать сквиды с точечными контактами [10], достаточно надежные, чтобы их можно было производить на продажу [И, 12]. Сквиды с точечными контактами изготовлялись во многих лабораториях мира, в том числе в СССР [13-15], и в 70-х годах бьши основным рабочим инструментом в тонких магнитных измерениях. [c.12]

Важнейшая особенность джозефсоновского контакта состоит в том, что нелинейность вольт-амперной характеристики проявляется при очень малых значениях тока и напряжения (около 10 мкА и 100 мкВ), что, во-первых, объясняет его высокую чувствительность к слабым сигналам, а во-вторых, определяет еще одно его достоинство — при работе прибора выделяется ничтожная мощность. [c.10]

Изготовление джозефсоновских контактов и сквидов методами вакуумного напыления и электронной или рентгеновской литографии требует очень совершенного технологического оборудования и высокой культуры производства, характерных для микроэлектронной промышленности. Это, ко всему прочему, еще и весьма дорогостоящее производство. С другой стороны, описанный процесс изготовления контактов вполне пригоден для массового выпуска сквидов - например, на стандартной кремниевой пластине ( модуле ) в одном процессе можно получить сразу до 100 сквидов. Кроме того, вся инфраструктура микроэлектронной технологии уже существует, поэтому не требуется больших капитальных затрат. Это означает, что уже в недалеком будущем сквид перестанет быть достоянием небольшого числа лабораторий и широко войдет в практику самых разнообразных исследований методами сквид-магнитометрии, как в технике, так и в биологии. [c.15]

Рис. З.а - Теоретические вольт-амперные характеристики ПТ-сквида для целого и полуцелого числа квантов потока в кольце / р - критический ток одного джозефсоновского контакта, б - Реальная вольт-амперная характеристика высокочувствительного ПТ-сквида [20]. в - Зависимость напряжения на ПТ>сквиде от приложенного магнитного потока при значениях рабочего тока, отмеченных штриховыми линиями на рис. а. Показан один цикл периодической зависимости с периодом г - Измеренные зависимости напряжения от поля при разных рабочих токах [20]

Основными частями сквид-магнитометра являются измерительная катушка (или система катушек), сквид-датчик и электронная схема управления (рис. 1.3). Главный элемент сквид-датчика - это сверх-проводниковый квантовый интерферометр, или сквид, чувствительный к магнитному потоку. Сквид представляет собой кольцеобразную структуру из сверхпроводящего материала (например, из ниобия) с одним или двумя так называемыми слабыми звеньями, или слабыми связями (джозефсоновскими контактами),. Кольцо с одним контактом возбужается высокочастотным сигналом, поэтому соответствующий датчик называется высокочастотным сквид-датчиком. Кольцо с двумя контактами возбуждается постоянным током, и соответствующий датчик называется сквид-датчиком постоянного тока. Известны различные топологические модификации сквидов, причем физические свойства слабой связи могут различаться в зависимости от технологии ее изготовления. Наиболее известны слабые связи типа точечного контакта, туннельного перехода и мостика. На рис. 1.4 показаны некоторые практические конструкции сквидов. На высокочастотном сквиде непосредственно устанавливают сверхпроводящую входную катушку и высокочастотную катушку колебательного контура управляющей электронной схемы. Применяются и более сложные конструкции сквидов, в том числе многопетлевые, с катушками различных форм и тд. [c.19]

Точечный контакт имеет ряд достоинств. Во-первых, у него малая емкость (обычно около 0,1 пФ), что делает малой постоянную времени перехода КС — меньшей, чем следующий из (1.2) период джозефсоновских осцилляций при характерном напряжении на контакте. Формально это означает, что выполняется условие так называемого безгистерезисного режима работы, т.е. [c.12]

В отсутствие внешнего магнитного поля он ведет себя просто как два параллельно соединенных джозефсоновских контакта ), так что вольт-амперная характеристика имеет вид (1.5), но с удвоенным критическим током (/кр =2/ кр). Наложение магнитного поля приводит к тому, что в кольце сквида наводится экранирующий ток, который на одном контакте складывается с внешним током /, а на другом — вычитается из него (рис. 3). В результате, как следует из анализа с использованием уравнений Джозефсона (1.1) и (1.2), эффективный критический ток сквида как целого оказывается периодически зависящим от внешнего магнитного поля. Критический ток максимален, когда кольцо сквида пронизывается магнитным потоком с целым числом квантов потока т.е. круговой ток в нем равен нулю, а минимален Лер при полуцелом числе квантов потока. Глубина модуляции магнитным полем растет с уменьшением величины i pLo (JLo - индуктивность кольца сквида), достигая половины Лер при [c.15]

Практическое исполнение джозефсоновских контактов в зависимости от их назначения, электрофизических параметров и технических требований, может быть различным (рис. 1.4). К электрофизическим параметрам, в известной мере определяющим и конструктивное исполнение, относятся так называемые характерные параметры напряжение контакта Ик, частота fк, критический ток через контакт /кр, сопротивление контакта в нормальном состоянии Ля. Характерное напряжение Ик=/кр н определяет напряжение на контакте, однозначно связанное с характерной частотой через соотношение fк=Uк/Фo, т. е. частотные свойства джо-зефсоновского перехода. Для большинства сверхпроводников значения Ик ограничены несколькими милливольтами и это определяет верхнюю границу частоты приборов, использующих эффект Джозефсона, значением порядка 10 Гц. Во всех случаях, иллюстрируемых рис. 1.4, слабая связь между двумя металлическими конструкциями контакта образуется различными способами в случае туннельного контакта—слоем изолятора в случае мостиков постоянной (рис. 1.4,6) или переменной (рис. 1.4,в) толщины — за счет малой площади перехода (перемычка шириной около 1 мкм) в случае точечного контакта — за счет крайне малой площади соприкосновения иглы (рис. 1.4,а). [c.38]

Рассмотрим подробнее устройство много петельного пленочного сквида [20], показанного на рис. 5. Размер этого сквида 6X6 мм , он изготовляется на кремниевой подложке, размер которой позволяет напылять сразу 32 сквида. Ток смещения подводится к нижнему электроду и в одном плече сквида подходит к выходному электроду через один из джозефсоновских контактов (на рисунке - верхний). Ток в другом плече [c.19]

В сквид-магнитометре постоянного тока (рис. 1.5, б) кольцо сквида имеет два джозефсоновских контакта с одинаковь1ми характеристиками, причем на кольцо подается постоянный ток, протекающий параллельно через оба слабых звена. В этом случае изменения входного магнитного потока через кольцо при определенном уровне постоянного тока, индуктивности кольца и определенных параметрах джозеф- [c.21]

С другой стороны, если не ограничиваться гистерезисным режимом работы, то высокой чувствительности можно добиться и в области обычных для ВЧ-сквида частот в десятки мегагерц. Используя безгистерезисный режим, Дмитренко с сотрудниками [24] при определенной комбинации параметров (2/Звч 0 > 1) смогли получить коэффициент преобразования, достигающий 6 mB/v o По порядку величины он соответствует значениям, полученным для ПТ-сквидов с джозефсоновскими контактами малой площади [20, 26]. В обоих случаях столь высокое значение коэффициента преобразования объясняется сложным видом зависимости напряжения от внешнего магнитного потока и наличием на этих кривых небольших (10 очень большой производной (см.рис.Зг и 6г) [c.24]

Изготавливаются ВЧ-сквиды и методом вакуумного напыления [34,35], в том числе и много петельные [36]. При этом за основу берутся мостико-вые джозефсоновские контакты, так как они имеют небольшую емкость по [c.26]

Рассмотрим такое применение джозефсоновских контактов на примере разработанного Кларком ( larke, 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 внешнего [c.152]

Из формулы (1.10) видно, что коэффициент преобразования ПТ-сквида пропорционален Я/Ьо. Возможности увеличения сопротивления джозефсоновского контакта К, в силу (1.8), связаны с уменьшением размера контакта и его емкости С. В этом направлении предел определяется возможностями миниатюризации при литографическом производстве. Увеличение коэффициента преобразования путем уменьшения индукщвности сквида о тоже имеет предел, но по другой причине. Индуктивность тем меньше, чем меньше кольцо сквида, а при литографическом производстве его можно сделать очень малым. На этом пути удалось получить сквиды с разрешением по энергии, приближающимся к квантовому пределу [20, 26, 27]. Но эти сквиды, имея высокое разрешение по магнитному потоку Ф, непригодны для измерения магнитного поля В = Ф/5, так как их площадь слишком мала - единицы квадратных микрон. Поэтому для целей магнитометрии делать петлю сквида слишком малой не имеет смысла. [c.19]

Электрическая регистрация разности фаз на джозефсоновском контакте возможна потому, что с точки зрения радиотехники он представляет собой сильнонелинейный элемент. Действительно, из (1.1) и (1.2) сДедует, что / Атге [c.10]

Свойства реальных джозефсоновских контактов несколько отличаются оъ описанных выше. В частности, токофазовое соотношение (1.1) часто 10 [c.10]

Явления, рассмотренные в этом параграфе, лежат в основе работы сквида как магнитометрического прибора. Читатель, желающий более глубоко познакомиться с физикой устройств, содержащих джозефсоновские контакты, может обратиться к книге Лихарева и Ульриха [1]. [c.11]

Точечный контакт выгодно отличается от туннельных контактов первого поколения (т.е. сэндвичей металл - диэлектрик-метапл), имеющих заметную емкость. Вторым его достоинством является то, что сам контакт микронного размера оказывается помещенным между массивными деталями из металла, — это улучшает условия теплоотвода из области контакта. Хотя тепловыделение при работе джозефсоновского контакта и невелико, но происходит оно в столь малом объеме, что может вызывать [c.13]

Туннельный контакт. Туннельный контакт представляет собой классическую джозефсоновскую систему из двух слоев металла, разделенных слоем диэлектрика. Основная трудность в изготовлении такого контакта состоит в том, что слой диэлектрика должен быть очень тонким — много меньшим, чем так называемая длина когерентности о характеризующая размер электронных пар и равная 0,08 мкм для РЬ и 0,04 мкм для ЫЬ, определяет также расстояние, на которое еще распространяются сверхпроводящие свойства вне границ сверхпроводника. Практически пригодные контакты такого типа могут быть созданы, вероятно, лишь техникой вакуумного напьшения, и работы в этом направлении шли с начала 70-х годов. Типичный туннельный контакт показан на рис. 1д. Тонкая полоска ниобия осаждалась на подложку через маску со щелью, затем окислялась с помощью газового разряда до образования пленки окисла ниобия (эти пленки оказались достаточно однородными и долгоживущими), а затем поперек напьшялась полоска свинца. Сквиды с туннельными контактами такого типа оказались вполне пригодными для магнитометрических применений [16]. [c.13]

Сквид постоянного тока, обычно именуемый ПТ-сквидом (английское D SQUID), представляет собой сверхпроводящее кольцо, содержащее два джозефсоновских контакта. [c.15]

Описанный выше ПТ-сквид содержит в кольце два джозефсоновских контакта. Практическая реализация такого сквида стала возможной, когда научились изготавливать надежные и воспроизводимые контакты с использованием технологии вакуумного напьшения. Первыми же широкое распространение получили точечные контакты, настраиваемые вручную, что неизбежно приводило к заметному разбросу их параметров. Сделать два идентичных точечных контакта бьшо непросто, да и конструкция сквида получалась малоудобная. В этих условиях естественно бьшо бы сделать сквид с одним джозефсоновским контактом, но тогда вся рассмотренная выше сравнительно простая техника регистрации не подходила, так как контакт закорочен сверхпроводящим кольцом, и на нем нельзя получить постоянное падение напряжения, как в случае ПТ-сквида. [c.21]

Тем не менее существует метод регистрации квантовой интерференции в кольце, замкнутом лишь одним контактом. При этом рабочий ток заводится в сквид на высокой частоте - через катушку, индуктивно связанную со сквидом (рис. 46). Поэтому сквид с одним джозефсоновским контактом получил название высокочастотного, или ВЧ-сквида (английское RFS0U1D). [c.21]

Широкое применение в 70-х годах именно ВЧ-сквида связано с появлением очень удачной конструкции такого сквида, предложенной Циммерманом [10] и показанной на рис. 7. В этом приборе используется точечный контакт, образуемый в точке соприкосновения острой оконечности ниобиевого винта с плоским торцом другого винта, вкрученного навстречу. Оба вин га предварительно покрыты окисной пленкой В теле сквида они зафиксированы с помощью контргаек. Прочная симметричная конструкция из единого куска ниобия обеспечивает надежное крепление винтов, создающих точечный контакт, и поскольку все сделано из одного материала, устраняется влияние температурных напряжений при циклах охлаждение-отогрев. Джозефсоновский контакт в этом типе сквида конструктивно защищен от возможных внешних электрических разрядов, которые могут вызвать сильный ток в контакте и тем разрушить его. Как видно из рис. 7, циммермановский сквид имеет две петли, замкнутые на один джозефсоновский контакт, причем петли расположены так, что при изменении однородного поля ГОКИ в них компенсируют друг друга в слабом звене. Поэтому сквид не реагирует на колебания однородного поля, а значит, лучше защищен от внешних магнитных шумов [c.25]

До недавнего времени распространенность различных вариантов сквидов в практических применениях определялась в основном тем, имелась ли возможность купить готовый сквид (тогда это был, как правило, тороидальный сквид фирмы SHE), в противном случае чаще всего самостоятельно изготавливался циммермановский сквид. Надежность Щ1ммер-мановского сквида определяется тщательностью его изготовления и осторожностью в обращении с ним в процессе экспериментов, главным образом при тепловых циклированиях. В хороших руках сквиды стабильно работают по нескольку лет, даже при многократных циклах охлаждение—отогрев и перестановках сквида из прибора в прибор. Но все же часто случается, что сквиды выходят из строя - вероятно, из-за попадания воды в область контакта и ее замерзания там, либо из-за дефектов заточки винтов и невысокого качества резьбы, что делает фиксацию винтов ненадежной. Как оказалось, перестройка точечного контакта, связанная с переточкой винтов или их заменой, - не слишком сложная операция, чем также в определенной степени объясняется до сих пор широкое распространение циммерманов-ских сквидов. Процесс образования джозефсоновского контакта при аккуратном закручивании винта с одновременным его законтриванием контролируется по изменению добротности ВЧ-контура, индуктивно связанного со сквидом. Операцию эту можно проводить и в жидком гелии, когда контроль настройки более точен, но вполне хорошие контакты получаются после настройки при комнатной температуре, что, естественно, заметно проще. Если имеется необходимость сделать сквид более устойчивым к тепловым циклированиям и менее восприимчивым к механическим нагрузкам, его помещают в герметически закрытую ампулу с теплообменным газом, а ампулу снабжают электрическими контактами для подсоединения регистрирующей электроники и сверхпроводящими контактами для ввода измеряемого сигнала. Так, в частности, поступают фирмы, предлагающие сквиды на рынок [11, 12]. [c.26]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология