Сверхпроводимость

Джозефсоновский контакт двух сверхпроводников не только преобразует постоянное напряжение в переменный ток, но и работает как колебательный контур — излучает электромагнитные волны в диапазоне СВЧ.

Неудивительно, что столь своеобразные явления  быстро нашли применение.

3.8 Применение слабой сверхпроводимости — СКВИДы

СКВИД — прибор, название которого представляет собой сокращение длинного наименования «сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство» на английском языке. «Сердце» СКВИДа представляет собой сверхпроводящее кольцо с четырьмя выводами, которые служат для подачи тока и съема напряжения. В кольце есть одно или два слабых звена. Кольцо с одним слабым звеном и кольцо с двумя слабыми звеньями — два разных вида СКВИДа, различающиеся по устройству и режиму работы. Мы, однако, в этой книжке избегаем излишних подробностей, поэтому расскажем лишь о свойствах, общих для всех СКВИДов.

Для их работы существенны  два явления — стационарный эффект Джозефсона и явление сохранения и квантования магнитного потока в сверхпроводящем кольце. Дело в том, что на СКВИД подается магнитное поле — внешнее или специально создаваемое в устройстве. Если бы кольцо не содержало слабых звеньев, то оно бы жестко сохраняло величину Φ магнитного потока, протекающего через него, причем эта величина кратна кванту потока Φ₀, т.е. Φ = nΦ₀, где n — целое число.

Сверхпроводящее кольцо со слабым звеном ведет себя в поле следующим образом. Если увеличивать  внешний поток, то магнитный поток Φ через кольцо тоже немного увеличивается (рис. 40) — сверхпроводящий ток кольца не может полностью экранировать внешнее поле. Затем настает момент, когда этот сверхпроводящий ток превышает критический ток слабого звена, оно переходит в нормальное состояние, один квант потока проникает внутрь кольца (на рисунке это момент скачка), экранирующий ток резко падает, слабое звено вновь переходит в сверхпроводящее состояние, и кольцо снова начинает сопротивляться дальнейшему нарастанию внешнего магнитного поля.

При другом возможном  в СКВИДах режиме на внешние контакты подается постоянный ток и со СКВИДа можно снимать отличное от нуля напряжение, которое, однако, зависит еще и от магнитного поля, в котором находится СКВИД. Эта зависимость позволяет на основе СКВИДов создавать сверхточные измерители напряженности магнитного поля. При этом СКВИД измеряет не абсолютное значение напряженности поля, а его отличие от эталонного, или разницу значений в двух близких точках, или изменение напряженности поля во времени. Большое поле, конечно, разрушит Сквид, поэтому чаще всего Сквид помещают в экранирующий сверхпроводящий «стакан». (Это название должно указывать только на форму экрана, а не на реальные размеры устройства, которое, скорее, напоминает тонкую палочку. Размеры самих СКВИДов — порядка десятков и сотен микрон.) Измеряемые изменения магнитного поля передаются к СКВИДу посредством специальных приемных витков и катушек.

Основанные на СКВИДах датчики магнитного поля широко применяются в геофизике для измерения колебаний магнитного поля Земли и в некоторых других областях. С использованием СКВИДов созданы пиковольтметры, измерители магнитной восприимчивости и другие точные приборы. С помощью СКВИДов в медицинских исследованиях ведутся записи магнитных сигналов от органов человеческого тела — в дополнение к электрическим исследованиям (электрокардиограммы или электроэнцефалограммы). Для съемки магнитных сигналов не нужен непосредственный контакт с телом. Более того, возможна регистрация сигналов, гораздо более слабых или исходящих от небольших участков тела. За годы экспериментов научились получать магнитограммы практически от всех органов человеческого тела, причем удается регистрировать сигналы с напряженностью 5·10^–7 Э, и это не предел! Напомним, что напряженность магнитного поля Земли в миллион раз больше.

Таким способом удается получить магнитограмму  плода беременной женщины. Это существенно, поскольку раннее обнаружение отклонений в ритме сердца и назначение лечения  могут уменьшить возникающее  повреждение мозга ребенка и  устранить его умственную отсталость. А электрокардиограмму плода на фоне электрической активности органов матери получить очень трудно или вообще невозможно. С физической точки зрения этот метод уже разработан, однако распространенным диагностическим методом не стал прежде всего потому, что не всегда надежна расшифровка магнитограммы.

На основе СКВИДов и контактов Джозефсона созданы и иные измерительные приборы — чувствительные вольтметры, низкотемпературные термометры (для диапазона температур 10^–6–10⁺¹ К), детекторы электромагнитного излучения и многие другие. С помощью эффекта Джозефсона в 1970-е гг. был установлен новый, более точный эталон вольта, удалось также приблизительно в 10 раз уточнить значения некоторых фундаментальных физических постоянных. Магнитный контроль с применением СКВИДов, как показывают эксперименты, может регистрировать возникновение пластической деформации, предшествующей образованию трещин.

3. Вывод 

Я не могу перечислить  всех теорий — их очень много - отмечу еще только очень интересную концепцию  двухэлектронных центров. Известно, что кислород очень легко уходит из новых сверхпроводников, в то время как в обычных окислах он связан очень прочно. Есть концепция, согласно которой два электрона могут сразу уйти с атомов кислорода на медь; это делает кислород нейтральным и тем самым облегчает его выход из решетки. А то обстоятельство, что электроны находятся то в коллективизированном металлическом состоянии, то оказываются попарно локализованными на кислороде, привод 

Итак, сейчас наступило  время исследований и поисков  как механизма высокотемпературной  сверхпроводимости, так и способов практического применения новых  сверхпроводящих материалов. Исследования ведутся очень большими силами, и  не исключено, что они увенчаются успехом. Однако одно важное дело открытие высокотемпературных сперхпроводников уже сделало: оно уничтожило многолетний предрассудок, что сверхпроводимость обяэательно требует низких температур. Это окрыляет людей на дальнейшие поиски, и даже в том случае, если не удастся «приручить» обнаруженные сверхпроводящие керамики, обязательно будут найдены другие классы сверхпроводников с более высокими Ткр и более пригодные для практического использования. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Литература

 
1. “Сверхпроводимость”; Павлов  Ю.М, ШугаевВ.А. 
2. “Сверхпроводимость в технике”; Труды второй всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости. 
3. “Введение в сверхпроводимость”; Зайцев, Орлов. 
4. “Сверхпроводимость: физика, химия, техника” №1-6, 1996 
5. “Сверхпроводимость: исследования и разработки” №6, 1994. 
6. “Физическая энциклопедия” т.3 
7. Советский Энциклопедический Словарь 
8. Х.-И. Кунце “Методы физических измерений”; Москва “Мир”1989 
9. Д. Стронг “Техника физического эксперимента”; Лениздат 1943 
10. М.Г. Мнеян “Сверхпроводники в современном мире”; изд. “Просвещение”

1991