Сверхпроводниковые устройства

Сверхпроводниковые устройства, хотя широко и не используются, обладают некоторыми уникальными характеристиками, не доступными для обычных полупроводниковых устройств. Высокая чувствительность относительно усиления электрических сигналов, детектирование магнитных полей, детектирование света являются очень ценными свойствами. Также возможна высокая скорость переключения, хотя в настоящее время и не применяется в компьютерах. Обычные сверхпроводящие устройства должны быть охлаждены до температуры в пределах нескольких градусов от 0 кельвинов (–273°C). Хотя в настоящее время ведется работа над устройствами на базе высокотемпературных сверхпроводников, пригодных для использования при 90 К и ниже. Это имеет большое значение, так как для охлаждения может быть использован недорогой жидкий азот.

Сверхпроводимость: В 1911 году Хайке Оннес открыл сверхпроводимость ртути (Hg), за что он получил Нобелевскую премию. Электрическое сопротивление большинства металлов уменьшается при понижении температуры. Тем не менее, у большинства из них сопротивление не уменьшится до нуля при приближении температуры к 0К. Ртуть уникальна тем, что ее сопротивления резко падает до нуля ом при 4,2 кельвинах. Сверхпроводники резко полностью теряют сопротивление при охлаждении ниже их критической температуры, T_C. Отличительным свойством сверхпроводимости является отсутствие потерь энергии в проводниках. Ток может протекать в петле из сверхпроводникового провода в течение тысяч лет. Сверхпроводники включают в себя свинец (Pb), алюминий (Al), олово (Sn) и ниобий (Nb).

Куперовская пара: Сверхпроводимость без потерь обусловлена не только обычным потоком электронов. Поток электронов в обычных проводниках встречает сопротивление в виде столкновений с жесткой ионной кристаллической решеткой металла. Уменьшение колебаний кристаллической решетки с уменьшением температуры вызывает уменьшение сопротивления (до определенного момента). При абсолютном нуле прекращаются колебания решетки, но не энергия рассеивания от столкновений электронов с кристаллической решеткой. Таким образом, обычные проводники не теряют полностью электрическое сопротивление при температуре, равной абсолютному нулю.

Электроны в сверхпроводниках формируют пары электронов, называемые куперовскими парами, когда температура падает ниже критической точки, в которой возникает сверхпроводимость. Куперовская пара существует потому, что она находится на более низком энергетическом уровне по сравнению с неспареннымы электронами. Электроны притягиваются друг к другу за счет обмена фононами, квазичастицами, представляющими собой кванты колебательных движений атомов. Эта куперовская пара, квантово-механическая сущность (частицы или волны) не подчиняется обычным законам физики. Эта сущность распространяется через кристаллическую решетку, не сталкиваясь с ионами металла, находящимися в узлах решетки. Таким образом, она не рассеивает никакой энергии. Квантово-механический характер куперовской пары просто позволяет дискретными, а не непрерывными количествами энергии. Для куперовской пары применимо понятие абсолютного минимального количества энергии. Если колебательная энергия кристаллической решетки меньше (из-за низкой температуры), куперовская пара не сможет принять ее и не сможет быть отбита решеткой. Таким образом, при температуре ниже критической поток куперовских пар может беспрепятственно протекать через кристаллическую решетку.

Джозефсоновский переход: Брайн Джозефсон получил Нобелевскую премию за свое предсказание в 1962 году появления джозефсоновского перехода. Переход Джозефсона – это пара сверхпроводников, соединенных тонким мостом из диэлектрика (как показано на рисунке (a) ниже), через который электроны могут создавать туннель. Первые переходы Джозефсона представляли собой свинцовые сверхпроводники с мостиком из диэлектрика. Наши дни предпочтительным является тройной слой алюминия и ниобия. Электроны могут создавать туннель через диэлектрик даже при нулевом напряжении, приложенном к сверхпроводникам.

Если к переходу прикладывается напряжение, величина тока уменьшается и возникают электрические колебания на частоте, пропорциональной напряжению. Связь между приложенным напряжением и частотой настолько точна, что в настоящее время эталонный вольт определяется отностительно частоты колебаний в переходе Джозефсона. Джозефсоновский переход также может служить в качестве суперчувствительного детектора магнитных полей с очень низкими уровнями. Он очень чувствителен к электромагнитному излучению от СВЧ до гамма-лучей.

Транзистор Джозефсона: электрод, расположенный близко к оксиду в переходе Джозефсона, может влиять на переход за счет емкостной связи. Такая сборка, показанная на рисунке (b) выше, называется транзистором Джозефсона. Главной особенностью транзистора Джозефсона является низкая мощность рассеивания, что применимо в схемах с высокой плотностью, например, в компьютерах. Этот транзистор, как правило, является частью более сложных сверхпроводниковых приборов, таких как SQUID (Superconducting Quantum Interference Device, «сверхпроводящий квантовый интерферометр») или RSFQ (Rapid Single Flux Quantum, «быстрая одноквантовая логика»).

SQUID: СКВИД (сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор, Superconducting Quantum Interference Device) представляет собой совокупность переходов Джозефсона в сверхпроводящем кольце. В данной статье рассматривается только СКВИД на постоянном токе. Этот прибор обладает высокой чувствительностью к воздействию слабых магнитных полей.

К кольцу с параллельно включенными джозефсоновскими переходами прикладывается смещение постоянным током, как показано на рисунке ниже. При отсутствии приложенного магнитного поля ток делится между двумя переходами поровну, а на кольце не вырабатывается напряжение.

В то время как к СКВИДу может быть приложено любое значение магнитного потока (Φ), через отверстие в сверхпроводниковом кольце может протекать только квантованное значение (кратное кванту потока). Если приложенный поток не кратен кванту потока, избыточный поток будет погашен циркулирующим по кольцу током, который создаст дробную часть кванта потока. Циркулирующий ток будет протекать в том направлении, в котором погашает любой избыток потока сверх кратного значения квантов потока. Он может либо добавить, либо вычесть значение из приложенного потока, до ±(1/2) кванта потока. Если циркулирующий ток протекает по часовой стрелке, ток повышается в верхнем джозефсоновском переходе и уменьшается в нижнем.

Линейное изменение приложенного потока заставляет изменяться циркулирующий ток в виде синусоиды.

Это может быть измерено путем измерения напряжения на СКВИДе. По мере увеличения приложенного магнитного поля, могут быть подсчитаны импульсы напряжения, каждый из которых соответствует увеличению потока на один квант.

Чувствительность СКВИДа составляет 10^-14 тесла. Он может обнаружить магнитное поле от электрических токов между нейронами в головном мозге (индукция данных магнитных полей составляет 10^-13 Тл). Для сравнения индукция магнитного поля Земли составляет 30 x 10^-6 Тл.

Быстрая одноквантовая логика (БОКЛ или RSFQ, Rapid Single Flux Quantum): Вместо того, чтобы подражать кремниевым полупроводниковым схемам, RSFQ схемы опираются на новые концепции: квантование магнитного потока в сверхпроводнике и то, что движение кванта потока создает пикосекундный квантованный импульс напряжения. Магнитный поток может существовать в сверхпроводнике только в виде дискретных квантованных значений. Для представления бита информации используется квант магнитного потока. Для переключения импульсов, вместо обычных транзисторов, используются джозефсоновские переходы. Сверхпроводник основан на тройном слое алюминия и ниобия с критической температурой 9,5 К и охлажден до 5 К.

RSFQ логика работает на частотах более 100 ГГц с небольшим количеством рассеиваемой мощности. Производство упрощается при использовании существующих технологий фотолитографии. Тем не менее, для ее работы требуется охлаждение до температуры 5 кельвинов. Реальное коммерческое применение включает в себя аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, T-триггеры, регистры сдвига, память, сумматоры и мультипликаторы.

Высокотемпературные сверхпроводники:Высокотемпературными сверхпроводниками являются соединения, проявляющие свойства сверхпроводимости при температурах выше температуры кипения жидкого азота, которая составляет 77 К. Это имеет большое значение, так как жидкий азот легко доступен и недорог. Большинство обычных сверхпроводников являются металлами, широко используемыми высокотемпературными сверхпроводниками являются купратами, смешанными оксидами меди (Cu), например, оксид иттрия-бария-меди, YBa₂Cu₃O_7-x, с критической температурой T_C = 90 К. Большинство приборов, описанных в данной статье, для менее критических применений разрабатываются в версиях на базе высокотемпературных сверхпроводников. Хотя они и не обладают производительностью обычных металлических сверхпроводников, но охлаждение жидким азотом более доступно.

Подведем итоги:

• Большинство металлов уменьшает сопротивление по мере приближения температуры к абсолютному нулю; хотя, сопротивление и не падает до нуля. Сопротивление сверхпроводников быстро падает до нуля при их охлаждении до критической температуры. Как правило, критическая температура, T_C, находится в пределах 10 кельвинов от абсолютного нуля.
• Куперовская пара, пара электронов, квантово-механическая сущность, перемещается через кристаллическую решетку беспрепятственно.
• Электроны могут создавать туннель через джозеновский переход, изолирующий зазор между парой сверхпроводников.
• Добавление третьего электрода, или затвора, недалеко от джозефсоновского перехода образует транзистор Джозефсона.
• SQUID (СКВИД, сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор) является высокочувствительным детектором магнитных полей. Он подсчитывает квантовые единицы магнитного поля внутри сверхпроводящего кольца.
• RSFQ (быстрая одноквантовая логика) представляет собой устройство высокоскоростной коммутации на основе коммутации магнитных квантов, существующих в сверхпроводящем контуре.
• Высокотемпературные сверхпроводники, с критической температурой T_C выше температуры кипения жидкого азота, могут также использоваться для создания сверхпроводящих приборов, описанных в данной статье.

Теги