Сверхпроводящие устройства

Сверхпроводящие устройства, хотя и не используются широко, обладают некоторыми уникальными характеристиками, недоступными для стандартных полупроводниковых устройств. Высокая чувствительность в отношении усиления электрических сигналов, обнаружения магнитных полей и обнаружения света - ценные области применения. Также возможно высокоскоростное переключение, хотя в настоящее время оно не применяется к компьютерам. Обычные сверхпроводящие устройства необходимо охлаждать с точностью до нескольких градусов 0 Кельвина (-273 ^o C). Хотя в настоящее время ведутся работы по высокотемпературному сверхпроводнику . устройства на базе, работающие при температуре 90 К и ниже. Это важно, поскольку для охлаждения можно использовать недорогой жидкий азот.

Сверхпроводящие устройства

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость: Хайке Оннес открыл сверхпроводимость в ртути (Hg) в 1911 году, за что получил Нобелевскую премию. Большинство металлов уменьшают электрическое сопротивление с понижением температуры. Однако большинство из них не снижается до нулевого сопротивления при приближении к 0 Кельвина. Ртуть уникальна тем, что ее сопротивление резко падает до нуля Ом при 4,2 К. Сверхпроводники резко теряют все сопротивление при охлаждении ниже их критической температуры, T _c Свойство сверхпроводимости - отсутствие потерь мощности в проводниках. Ток может течь в петле из сверхпроводящего провода тысячи лет. Сверхпроводники включают свинец (Pb), алюминий (Al), олово (Sn) и ниобий (Nb).

Купер Пара

Куперовская пара: Проводимость без потерь в сверхпроводниках происходит не за счет обычного электронного потока. Электронный поток в нормальных проводниках встречает сопротивление в виде столкновений с твердой ионной кристаллической решеткой металла. Уменьшение колебаний кристаллической решетки с понижением температуры приводит к уменьшению сопротивления - до определенного значения. Колебания решетки прекращаются при абсолютном нуле, но не происходит рассеивание энергии столкновениями электронов с решеткой. Таким образом, нормальные проводники не теряют все сопротивление при абсолютном нуле.

Электроны в сверхпроводниках образуют пару электронов, называемую медной парой . , когда температура падает ниже критической температуры, при которой начинается сверхпроводимость. Медная пара существует, потому что она находится на более низком уровне энергии, чем неспаренные электроны. Электроны притягиваются друг к другу за счет обмена фононами . , частицы очень низкой энергии, связанные с вибрациями. Эта медная пара, квантово-механическая сущность (частица или волна) не подчиняется нормальным законам физики. Этот объект распространяется через решетку, не сталкиваясь с ионами металлов, составляющими фиксированную решетку. Таким образом, он не рассеивает энергию. Квантово-механическая природа медной пары позволяет ей обмениваться только дискретными количествами энергии, а не непрерывно переменными количествами. Для медной пары приемлем абсолютно минимальный квант энергии. Если колебательная энергия кристаллической решетки меньше (из-за низкой температуры), медная пара не может принять ее, не может рассеиваться решеткой. Таким образом, при критической температуре медные пары беспрепятственно проходят через решетку.

Джозефсоновские переходы и транзисторы

Джозефсоновские развязки: Брайан Джозефсон получил Нобелевскую премию за предсказание в 1962 году перехода Джозефесона . Джозефсоновский переход - это пара сверхпроводников, соединенных тонким изолятором, как показано на рисунке ниже (а), через которые могут туннелировать электроны. Первые джозефсоновские переходы представляли собой свинцовые сверхпроводники, соединенные изолятором. В наши дни предпочтителен трехслойный алюминий и ниобий. Электроны могут туннелировать через изолятор даже при нулевом напряжении, приложенном к сверхпроводникам.

Если на переход подается напряжение, ток уменьшается и колеблется с высокой частотой, пропорциональной напряжению. Связь между приложенным напряжением и частотой настолько точна, что стандартный вольт теперь определяется в терминах частоты колебаний джозефсоновского перехода. Джозефсоновский переход также может служить сверхчувствительным детектором магнитных полей низкого уровня. Он также очень чувствителен к электромагнитному излучению от микроволн до гамма-лучей.

(а) переход Джозефсона, (б) транзистор Джозефсона.

Транзистор Джозефсона: Электрод, расположенный рядом с оксидом джозефсоновского перехода, может влиять на переход посредством емкостной связи. Такая сборка на рисунке выше (b) представляет собой транзистор Джозефсона. Основной особенностью транзистора Джозефсона является низкое рассеивание мощности, применимое к схемам с высокой плотностью размещения, например, к компьютерам. Этот транзистор обычно является частью более сложного сверхпроводящего устройства, такого как SQUID или RSFQ.

Сверхпроводящее устройство квантовой интерференции (SQUID)

SQUID: Сверхпроводящее устройство квантовой интерференции или SQUID представляет собой совокупность джозефсоновских контактов внутри сверхпроводящего кольца. В этом обсуждении рассматривается только DC SQUID. Это устройство очень чувствительно к магнитным полям низкого уровня.

Постоянный ток смещения подается через кольцо параллельно обоим джозефсоновским переходам, показанным на рисунке ниже. Ток равномерно делится между двумя переходами в отсутствие приложенного магнитного поля, и напряжение не возникает поперек кольца. [JBc] Хотя к СКВИДу может быть применено любое значение Магнитного потока (Φ), только квантованное значение (кратное квантам потока) может проходить через отверстие в сверхпроводящем кольце. [JBa] Если приложенный поток не является точная кратность квантов потока, избыточный поток компенсируется циркулирующим током вокруг кольца, который производит дробные кванты потока. Циркулирующий ток будет течь в том направлении, которое нейтрализует любой избыточный поток, превышающий количество квантов потока. Он может либо добавлять, либо вычитать из приложенного потока до ± (1/2) квантов потока. Если циркулирующий ток течет по часовой стрелке, ток добавляется к верхнему джозефсоновскому переходу и вычитается из нижнего. При линейном изменении приложенного магнитного потока циркулирующий ток изменяется как синусоида. [JBb] Это можно измерить как напряжение на СКВИДе. По мере увеличения приложенного магнитного поля импульс напряжения может быть подсчитан для каждого увеличения по квантам потока. [HYP]

Сверхпроводящее устройство квантовой интерференции (SQUID):пара джозефсоновских контактов в сверхпроводящем кольце. Изменение магнитного потока вызывает изменение напряжения на паре JJ.

Считается, что SQUID чувствителен к 10 ^-14 Тесла, он может обнаруживать магнитное поле нейронных токов в мозгу при 10 ^-13 Тесла. Сравните это с 30 x 10 ^-6 Тесла-сила магнитного поля Земли.

Быстрый квант одиночного потока (RSFQ)

Быстрый квант одиночного потока (RSFQ): Вместо того, чтобы имитировать кремниевые полупроводниковые схемы, схемы RSFQ опираются на новые концепции:квантование магнитного потока внутри сверхпроводника и движение квантов потока создают пикосекундный квантованный импульс напряжения. Магнитный поток может существовать только внутри секции сверхпроводника, квантованной в дискретных кратных величинах. Используются самые низкие разрешенные кванты потока. Импульсы переключаются джозефсоновскими переходами вместо обычных транзисторов. В основе сверхпроводников лежит тройной слой алюминия и ниобия с критической температурой 9,5 К, охлаждаемый до 5 К.

RSQF работают на частоте более 100 ГГц с очень малым рассеиванием мощности. Производство простое с использованием существующих фотолитографических технологий. Хотя для работы требуется охлаждение до 5 К. В число реальных коммерческих приложений входят аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, триггеры, регистры сдвига, память, сумматоры и умножители. [DKB]

Высокотемпературные сверхпроводники

Высокотемпературные сверхпроводники: Высокотемпературные сверхпроводники представляют собой соединения, демонстрирующие сверхпроводимость выше точки кипения жидкого азота 77 К. Это важно, поскольку жидкий азот легко доступен и недорого. Большинство обычных сверхпроводников - это металлы; широко используемые высокотемпературные сверхпроводники - это купраты , смешанные оксиды меди (Cu), например YBa ₂ Cu ₃ О _7-x , критическая температура, T _c =90 K. Доступен список других. [OXFD] Большинство устройств, описанных в этом разделе, разрабатываются в версиях для высокотемпературных сверхпроводников для менее важных приложений. Хотя они не обладают характеристиками традиционных металлических сверхпроводников, охлаждение жидким азотом более доступно.

ОБЗОР:

• Сопротивление большинства металлов снижается по мере приближения к абсолютному нулю; однако сопротивление не падает до 0. Сверхпроводники быстро падают до нуля при их критической температуре при охлаждении. Обычно T _c находится в пределах 10 К от абсолютного нуля.
• Куперовская пара, электронная пара, квантово-механический объект, беспрепятственно движется через металлическую кристаллическую решетку.
• Электроны могут туннелировать через джозефсоновский переход, изолирующий зазор в паре сверхпроводников.
• Добавление третьего электрода или затвора рядом с переходом представляет собой транзистор Джозефсона.
• СКВИД, сверхпроводящее устройство квантовой интерференции, представляет собой высокочувствительный детектор магнитных полей. Он считает квантовые единицы магнитного поля внутри сверхпроводящего кольца.
• RSFQ, Rapid single flux квант - это высокоскоростное переключающее устройство, основанное на переключении магнитных квантов, существующих в сверхпроводящей петле.
• Высокотемпературные сверхпроводники, T _c выше точки кипения жидкого азота, может также использоваться для создания сверхпроводящих устройств в этом разделе.