Просмотр кода страницы СКВИД

{{о|высокочувствительном измерительном приборе|программном обеспечении|Squid}}
[[Файл:SQUID by Zureks.jpg|thumb|Измерительная часть СКВИДа]]
'''СКВИД''' (от {{lang-en|SQUID}}, {{lang-en2|superconducting quantum interference device}} — «[[Сверхпроводимость|сверхпроводящий]] квантовый [[интерферометр]]»; в буквальном переводе с английского {{lang-en2|squid}} — «кальмар»; '''сверхпроводящий магнитометр''') — сверхчувствительные [[магнитометр]]ы, используемые для измерения очень слабых [[Магнитное поле|магнитных полей]]. СКВИД-магнитометры обладают рекордно высокой чувствительностью, достигающей 5{{e|−33}}&nbsp;Дж/Гц (чувствительность по магнитному полю — 10{{sup|−13}}&nbsp;Тл)<ref name=ИФСОРАН>[https://web.archive.org/web/20030622093107/http://www.kirensky.ru/equipment/skvid.htm СКВИД-магнетометр].</ref>. Для длительных измерений усредненных значений в течение нескольких дней можно достичь значений чувствительности в 5{{e|−18}} Тл<ref>{{книга |ссылка=http://einstein.stanford.edu/content/education/GP-B_T-Guide4-2008.pdf |заглавие=Gravity Probe B: Exploring Einstein’s Universe with Gyroscopes |страницы=26 |год=2004 |издательство=[[НАСА|National Aeronautics and Space Administration]] |ref=Ran |язык=en |автор=Ran, Shannon K’doah |archive-date=2016-03-03 |archive-url=https://web.archive.org/web/20160303172504/http://einstein.stanford.edu/content/education/GP-B_T-Guide4-2008.pdf }}</ref>.

== Принцип работы ==
[[Файл:SQUID ru.svg|thumb|Изменение напряжения за счет генерации на джозефсоновском контакте]]
Простейший [[Квантовая механика|квантовый]] магнитометр — СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо с двумя [[эффект Джозефсона|джозефсоновскими]] туннельными контактами. Процессы происходящие в таком устройстве — в некотором смысле аналог оптической [[Интерференция (физика)|интерференцией]] на двух щелях, только в данном случае интерферируют не световые волны, а два джозефсоновских тока. Существенным для понимания работы СКВИДа является наличие [[Корпускулярно-волновой дуализм|волновых свойств]] у электрона — в СКВИДе [[Волна де Бройля|волны де-Бройля]] электронов разделяется на две, каждая из которых проходит свой [[Туннельный эффект|туннельный]] контакт, а затем обе волны сходятся вместе. При отсутствии внешнего поля обе ветви будут эквивалентны, и обе волны придут в одной фазе. Но при наличии [[Магнитный поток|потока магнитного поля]] через контур в нём будет наводиться циркулирующий [[Сверхпроводимость|сверхпроводящий]] [[Электрический ток|ток]]. Этот ток в одном из контактов будет вычитаться из постоянного внешнего тока, а во втором — складываться с ним. Теперь две ветви будут иметь разные токи, и между волнами через [[Туннельный эффект|туннельные]] контакты возникнет разность фаз. Волны электронов, пройдя через контакты и соединившись, будут интерферировать, интерференция проявится как зависимость критического тока СКВИДА от приложенного внешнего [[Магнитное поле|магнитного поля]]. Периодический характер зависимости напряжения от поля позволяет обнаруживать отдельные [[квант]]ы магнитного потока. Периодический вид зависимости возникает из-за изменения фазы электронной волны на джозефсоновском контакте на <math>2 \pi n,</math> где <math>n</math> — целое число.

== Типы СКВИДов ==
[[Файл:SQUID IV.svg|thumb|Электрическая схема СКВИДа на постоянном токе, здесь <math>I_b</math> — внешний ток через СКВИД, <math>I_0</math> — критический ток, <math>\Phi</math> — магнитный поток, приложенный к контуру, <math>V</math> — падение напряжения на СКВИДе.]]
[[Файл:IV curve.svg|thumb|'''Слева:''' [[вольт-амперная характеристика]] СКВИДа. Верхняя кривая соответствует <math>n \Phi_0</math>, а нижняя — <math>\left( n + 1/2 \right) \Phi_0</math>.<br /><br />'''Справа:''' зависимость напряжения на контакте от магнитного потока через контур. Период колебаний равен одному кванту потока <math>\Phi_0</math>.]]
Различают два типа СКВИДов — СКВИД на постоянном токе (двухконтактный СКВИД) и высокочастотный СКВИД (одноконтактный СКВИД). СКВИД на постоянном токе был изобретен в 1964 году физиками Robert Jaklevic, John J. Lambe, James Mercereau, и Arnold Silver. Они же вместе с Джеймсом Эдвардом Циммерманом изобрели СКВИД на переменном токе<ref name=clarke>{{книга |заглавие=The SQUID handbook |том=1 |издательство=Wiley-Vch |год=2004 |язык=und |автор=J. Clarke and A. I. Braginski (Eds.)}}</ref>.

=== СКВИД на постоянном токе ===
СКВИД на постоянном токе представляет собой два джозефсоновских перехода, включенных параллельно. Включение осуществляется массивными сверхпроводниками, которые вместе с джозефсоновскими переходами а и b образуют замкнутый контур (кольцо). Внутрь этого кольца введена катушка, создающая магнитный поток.

Работа СКВИДа на постоянном токе описывается двумя соотношениями Джозефсона:
: <math>I_c=I_s\sin\varphi</math>
: <math>\hbar\frac{\partial \varphi}{\partial t}=2eV</math>

Эти соотношения описывают соответственно стационарный и нестационарный [[эффект Джозефсона]]. Видно, что наиболее устойчиво сверхпроводящее состояние кольца по отношению к внешнему току будет в случаях, когда полный магнитный поток через интерферометр будет равен целому числу [[Магнитный поток#Квантование магнитного потока|квантов потока]] <math>\Phi_0</math>. Наоборот, случай, когда полный поток равен полуцелому числу квантов потока, соответствует [[Неустойчивое равновесие|неустойчивому]] сверхпроводящему состоянию: достаточно приложить к интерферометру ничтожный ток, чтобы он перешел в резистивное состояние и чтобы вольтметр обнаружил напряжение на интерферометре.

=== СКВИД на переменном токе (ВЧ-СКВИД) ===
Работа СКВИДа на переменном токе основана на [[Эффект Джозефсона#Нестационарный эффект|нестационарном эффекте Джозефсона]] и использует только один джозефсоновский контакт. ВЧ-СКВИД в измерительной технике демонстрирует обычно более высокую чувствительность за счет более высокой трансформации потока от измерительного объёма (образца). Он дешевле и проще в производстве в малых количествах. Значительная часть экспериментов в фундаментальной физике и измерений в [[биомагнетизм]]е, включая измерение сверхмалых сигналов, были выполнены с использованием СКВИДов на переменном токе.

== Использование СКВИДов ==
Исключительно высокая энергетическая чувствительность (порядка долей [[Постоянная Планка|постоянной Планка]]), которой обладают СКВИДы при измерениях магнитных полей, открыла новые возможности в экспериментах фундаментальной физики. Одна из таких задач — оценка возможной величины электрического дипольного момента (ЭДМ) электрона. Общеизвестно, что электроны обладают электрическим зарядом и спином. Эффекты, связанные с [[Нарушение CP-инвариантности|нарушением]] [[Комбинированная чётность|СР]]- и [[T-симметрия|Т]]-инвариантности, не запрещают электрону иметь распределение электрического заряда, не совпадающее с распределением его массы, то есть электрический дипольный момент. Различные модели предсказывают существование у электрона ЭДМ на уровне от 10{{sup|−20}}&nbsp;см на заряд электрона до 10{{sup|−28}}&nbsp;см на заряд электрона, а возможно, и ещё меньше. Соответствующие опыты со СКВИДом показали, что ЭДМ у электронов меньше, по крайней мере, 10{{sup|−22}}&nbsp;см на заряд электрона<ref>{{статья |автор=Б. В. Васильев, Е. В. Колычева |заглавие=Измерение электрического дипольного момента электрона с помощью квантового интерферометра |ссылка= |издание=[[Журнал экспериментальной и теоретической физики]] |год=1978 |volume=74 |страницы=466—471 }}</ref>. Этот результат вошел в справочники по свойствам элементарных частиц и к настоящему времени вызвал целую серию подобных измерений.

На исключительно высокую чувствительность к магнитному потоку опирается весь спектр медицинских ([[магнитоэнцефалография]], [[магнитогастрография]], магнитный маркерный мониторинг, исследование сердца), технических ([[ядерный магнитный резонанс]]), горно-геологических ([[Геофизика#Геофизическая разведка|геофизическая разведка]], [[Палеомагнитное датирование|палеомагнитный метод]] изучения горных пород) применений СКВИДов. Также есть соображения в части применения СКВИДов в [[Квантовый компьютер|квантовом компьютере]] в качестве [[кубит]]ов.

=== Сканирующий СКВИД-микроскоп ===
В отличие от традиционных магнитометров, в которых СКВИДы используются как пассивные датчики низкочастотного или постоянного магнитного поля, в новом микроскопе используется переменный ток микроволновой частоты, циркулирующий по кольцу СКВИДа, когда на его джозефсоновских переходах возникает постоянное напряжение ([[нестационарный эффект Джозефсона]]). Основной принцип действия в том, что микроволновой ток течет в кольце СКВИДа легче, когда рядом с ним находится проводящий образец.

== СКВИДы в фантастике ==
* Писатель-фантаст [[Гибсон, Уильям|Уильям Гибсон]] использует СКВИДы в рассказе 1981 года «[[Джонни-мнемоник (рассказ)|Джонни Мнемоник]]», где киборгизированный бывший военный дельфин использует СКВИД-имплантат для чтения запоминающего устройства, вживлённого в мозг главного героя.
* В фильме «[[Странные дни]]» СКВИДы используются для записи и воспроизведения воспоминаний человека, некоторые из которых обмениваются на чёрном рынке.
* В романе [[Крайтон, Майкл|Майкла Крайтона]] 1999 года «В ловушке времени» СКВИДы упоминаются как часть устройства квантовой [[Телепортация|телепортации]], разработанной ITC.
* В романе «RedRobe» Джона Кортни Гримвуда содержится ссылка на СКВИД-зонды, используемые для чтения воспоминаний и мыслей, как части допроса.
* СКВИДы используются как часть [[полиграф]]а в романе [[Стивенсон, Нил|Нила Стивенсона]] «[[Лавина (роман)|Лавина]]».
* СКВИДы упоминаются в фильме «[[Химическая свадьба (фильм)|Химическая свадьба]]», где они являются частью суперкомпьютера, который используется для повторного воплощения [[Кроули, Алистер|Алистера Кроули]].

== См. также ==
* [[Эффект Джозефсона]]
* [[Сверхпроводимость]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* ''Корнев В. К.'' Эффект Джозефсона и его применение в сверхпроводниковой электронике // [[Соросовский образовательный журнал]]. — 2001. — № 8. — С. 83.
* ''Гольцман Г. Н.'' Эффекты Джозефсона в сверхпроводниках // [[Соросовский образовательный журнал]]. — 2000. — № 4. — С. 100.
* ''Воронов В. К., Подоплелов А. В.'' Современная физика: Учебное пособие. — М.: КомКнига, 2005. — 512 с. — ISBN 5-484-00058-0.

{{Внешние ссылки}}
[[Категория:Измерительные приборы]]
[[Категория:Сверхпроводимость]]