Квантовый магнитометр

Эффект Джозефсона в сочетании с явлением квантования магнитного потока послужили основой для создания целого семейства сверхчувствительных измерительных приборов. Они называются "сверхпроводящие квантовые интерференщюнные приборы" или "СКВИДы" (по сочетанию первых букв соответствующих английских слов Superconducting Quantum Interference Devices^*). Об одном из них - квантовом магнитометре (приборе для измерения слабых магнитных полей) - мы и хотим рассказать.

^* (Любопытно, что если в полном русском названии заменить слово "приборы" на слово "детекторы" (а это только уточнит название, укажет на использование этих приборов как регистраторов), то сокращенное название будет звучать и по-русски, и по-английски одинаково.)

Рис. 5

Простейший квантовый магнитометр состоит из сверхпроводящего кольца, в цепь которого включен джозефсоновский элемент (рис. 5). Как вы уже знаете, для того чтобы возник ток в нормальном туннельном контакте, к нему надо приложить хотя бы небольшое напряжение. А вот в сверхпроводящем контакте это не обязательно. Если в кольце создать сверхпроводящий ток, то он сможет течь и через джозефсоновский элемент: сверхпроводящие пары будут туннелировать через тонкий слой диэлектрика. Такое явление называют стационарным (постоянным во времени) эффектом Джозефсона, в отличие от нестационарного эффекта, сопровождаемого излучением (о нем было рассказано в предыдущем разделе). Существует, однако, максимально допустимое для контакта значение сверхпроводящего тока (его называют критическим током контакта I_к). При токе, большем критического, сверхпроводимость в контакте разрушается и на нем обязательно появляется напряжение (эффект Джозефсона становится нестационарным).

Итак, при включении в сверхпроводящий контур джозефсоновского элемента не происходит полного разрушения сверхпроводимости, но в контуре появляется место, в котором сверхпроводимость ослаблена (как говорят, возникает слабая связь). Именно на этом основано использование такого контура для точного измерения магнитных полей. Постараемся понять, как это делается.

Если бы контур был полностью сверхпроводящим (не содержал слабой связи), то магнитный поток через его площадь был бы строго постоянным. Действительно, согласно закону электромагнитной индукции всякое изменение внешнего магнитного поля приводит к возникновению э. д. с. индукции = -ΔФ_внеш/Δt, а значит, к изменению тока в контуре. Но изменяющийся ток в свою очередь порождает э. д. с. самоиндукции = -LΔI/Δt. Поскольку падение напряжения в сверхпроводящем контуре равно нулю (сопротивление равно нулю), алгебраическая сумма этих э. д. с. тоже равна нулю:

или

Отсюда следует, что при изменении внешнего магнитного потока сверхпроводящий ток в контуре меняется так, чтобы изменение магнитного потока, создаваемого током, компенсировало изменение внешнего потока (правило Ленца). При этом полный магнитный поток через контур остается постоянным: Ф = const. Изменить его, не переводя контур в нормальное состояние, нельзя (говорят, что в сверхпроводящем контуре магнитный поток "заморожен"),

А что произойдет, если сверхпроводящий контур содержит слабую связь? Оказывается, что магнитный поток через такой контур может меняться - через слабую связь в контур проникают кванты потока (как вы уже знаете, магнитный поток сверхпроводящего тока квантуется - он равен целому числу квантов потока Ф₀).

Давайте проследим, как меняются магнитный поток внутри сверхпроводящего кольца со слабой связью и величина тока в кольце при изменении внешнего магнитного поля. Пусть вначале внешнее поле и ток в контуре равны нулю (рис. 5, а). Тогда поток внутри контура тоже равен нулю. Будем увеличивать внешнее поле - в контуре появится сверхпроводящий ток, магнитный поток которого в точности компенсирует внешний поток. Так будет продолжаться до тех пор, пока ток в контуре не достигнет критического значения I_к (рис. 5, б). Предположим для определенности, что в этот момент внешнее поле создает поток, равный половине кванта: Ф₀/2^*.

^* (Критический ток зависит от многих причин, в частности - от толщины слоя диэлектрика. Меняя ее, всегда можно добиться того, чтобы создаваемый этим током магнитный поток, а значит и внешний магнитный поток, был равен Ф₀/2. Это упрощает рассмотрение, но не меняет, существа дела.)

Как только ток станет равным I_к, сверхпроводимость в месте слабой связи разрушится, и в контур войдет квант потока Ф₀ (рис. 5, в). При этом отношении Ф_внут/Ф₀ скачком увеличится на единицу (как говорят, сверхпроводящий контур перейдет в новое квантовое состояние). А что произойдет с током? Его величина останется прежней, но направление изменится на противоположное. Действительно, если до вхождения кванта потока Ф₀ ток I_к полностью экранировал внешний поток Ф₀/2, то после вхождения он должен усиливать внешний поток Ф₀/2 до значения Ф₀. 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 Ф₀. Ток в контуре обратится в нуль, когда внешний поток также станет равным Ф₀ (рис. 5, г), а затем он начнет течь в обратном направлении (опять экранировка!). Наконец, при значении внешнего потока 3Ф₀/2 ток опять станет равный I_к, сверхпроводимость разрушится, войдет следующий квант потока и т. д.

Рис. 6

Графики зависимости магнитного потока Ф_внут внутри кольца и тока I в нем от величин внешнего потока Ф_внеш показаны на рис. 6 (оба потока измеряются в естественных единицах - квантах потока Ф₀). Ступенчатый характер зависимости позволяет "чувствовать" отдельные кванты потока, хотя величина их очень мала (порядка 10^-15 Вб). Нетрудно понять почему. Магнитный поток внутри сверхпроводящего контура изменяется хотя и на малую величину ΔФ = Ф₀, но скачком, то есть за очень короткий промежуток времени Δt. Так что скорость изменения магнитного потока ΔФ/Δt при этом скачкообразном характере изменения потока оказывается очень большой. Ее можно измерить, например, по величине э. д. с. индукции, наводимой в специальной измерительной катушке прибора. В этом и состоит принцип работы квантового магнитометра.

Устройство реального квантового магнитометра в действительности много сложнее. Так, обычно используют не одну, а несколько слабых связей, включенных параллельно,- своеобразная интерференция сверхпроводящих токов (а точнее, соответствующих им волн, определяющих "размазывание" сверхпроводящих электронов в пространстве) приводит к повышению точности измерений (поэтому такие приборы и называются интерференционными). Чувствительный элемент прибора индуктивно связывают с катушкой колебательного контура, где скачки потока преобразуются в импульсы напряжения, которые затем усиливаются. Но рассказ обо всех этих тонкостях выходит за рамки нашей книги.

Заметим, что в наши дни сверхчувствительные магнитометры, измеряющие магнитные поля с точностью до 10^-15 Тл,- это уже промышленная продукция, находящая применение в измерительной технике. Они используются и в медицине. Оказывается, что при работе сердца, мозга, мышц в окружающем пространстве возникают чрезвычайно слабые, но уже измеримые с помощью СКВИДов магнитные поля (так, индукция магнитного поля, обусловленного сердечной деятельностью, B ≈ 3*10^-11 Тл, что примерно в сто тысяч раз меньше магнитного поля Земли). Регистрацию таких полей называют снятием магнитокардиограммы, магнитоэнцефаллограммы и т. д. Снятие и изучение таких характеристик человеческого организма, ставшие возможными в последние годы благодаря развитию практической сверхпроводимости, принципиально изменили возможности диагностики различного рода заболеваний.

Рис. 7

Эксперименты в этой области начались в 70-х годах. При этом, для сведения к минимуму влияния магнитного поля Земли, такие измерения проводились в специально сконструированных экранированных комнатах. Такая комната изготавливается из трех слоев металла с высокой магнитной проницаемостью (рис. 7), которые обеспечивают высокое магнитное экранирование, и двух слоев алюминия, образующих электрический экран. Эти предосторожности позволили понизить магнитное поле внутри комнаты всего до нескольких нанотесл (т. е. в десятки тысяч раз по сравнению с магнитным полем Земли). Полученная в такой комнате магнитокардиограмма (МКХ) показана на рис. 8, ниже для сравнения представлена обычная электрокардиограмма

Рис. 8

Однако иметь такую комнату - удовольствие не из дешевых. Дальнейшее развитие этой перспективной области применения СКВИДов привело к существенному прогрессу и упрощению процедуры снятия магнитокардиограммы. Так, сегодня с помощью современной сверхпроводящей техники четкую магнитокардиограмму можно снять и в отсутствие всяких экранов (рис. 9). Единственное, что необходимо - устранить металлические застежки и содержимое левого кармана рубашки.

Рис. 9