Un SQUID (para dispositivo superconductor de interferencia cuántica ) es un magnetómetro muy sensible que se utiliza para medir campos magnéticos extremadamente sutiles , basados en bucles superconductores que contienen uniones de Josephson .
Los SQUID son lo suficientemente sensibles como para medir campos tan bajos como 5 a T (5 × 10 −18 T) con unos pocos días de mediciones promediadas. [1] Sus niveles de ruido son tan bajos como 3 f T · Hz - 1 ⁄ 2 . [2] Para la comparación, un típico imán refrigerador produce 0,01 tesla (10 -2 T), y algunos procesos en animales producen muy pequeños campos magnéticos entre 10 -9 T y 10 -6 T. Serf magnetómetros atómicos, inventado en la década de 2000 son potencialmente más sensibles y no requieren criogénicos refrigeración, pero son órdenes de magnitud más grandes en tamaño (~ 1 cm 3 ) y deben operarse en un campo magnético cercano a cero.
Historia y diseño
Hay dos tipos principales de SQUID: corriente continua (CC) y radiofrecuencia (RF). Los RF SQUID pueden funcionar con solo una unión Josephson ( unión de túnel superconductor ), lo que podría hacerlos más baratos de producir, pero son menos sensibles.
CALAMAR DC
El DC SQUID fue inventado en 1964 por Robert Jaklevic, John J. Lambe, James Mercereau y Arnold Silver de Ford Research Labs [3] después de que Brian David Josephson postulara el efecto Josephson en 1962, y la primera unión Josephson fue hecha por John Rowell. y Philip Anderson en Bell Labs en 1963. [4] Tiene dos uniones Josephson en paralelo en un bucle superconductor. Se basa en el efecto DC Josephson . En ausencia de cualquier campo magnético externo, la corriente de entradase divide en las dos ramas por igual. Si se aplica un pequeño campo magnético externo al bucle superconductor, una corriente de apantallamiento,, comienza a circular el bucle que genera el campo magnético que cancela el flujo externo aplicado, y crea una fase adicional de Josephson que es proporcional a este flujo magnético externo. [5] La corriente inducida está en la misma dirección que en una de las ramas del bucle superconductor, y es opuesta a en la otra rama; la corriente total se convierte en en una rama y en el otro. Tan pronto como la corriente en cualquiera de las ramas exceda la corriente crítica,, de la unión de Josephson , aparece un voltaje a través de la unión.
Ahora suponga que el flujo externo aumenta aún más hasta que excede , la mitad del cuanto de flujo magnético . Dado que el flujo encerrado por el bucle superconductor debe ser un número entero de cuantos de flujo, en lugar de filtrar el flujo, el SQUID ahora prefiere enérgicamente aumentarlo a. La corriente ahora fluye en la dirección opuesta, oponiéndose a la diferencia entre el flujo admitido y el campo externo de poco más . La corriente disminuye a medida que aumenta el campo externo, es cero cuando el flujo es exactamente, y nuevamente invierte la dirección a medida que aumenta aún más el campo externo. Por lo tanto, la corriente cambia de dirección periódicamente, cada vez que el flujo aumenta en un múltiplo medio entero adicional de, con un cambio en el amperaje máximo cada múltiplo de medio más entero de ya cero amperios cada múltiplo entero.
Si la corriente de entrada es mayor que , entonces el SQUID siempre opera en modo resistivo. El voltaje, en este caso, es por tanto una función del campo magnético aplicado y el período igual a. Dado que la característica corriente-voltaje del DC SQUID es histerética, una resistencia en derivación,está conectado a través de la unión para eliminar la histéresis (en el caso de superconductores de alta temperatura basados en óxido de cobre, la propia resistencia intrínseca de la unión suele ser suficiente). La corriente de apantallamiento es el flujo aplicado dividido por la autoinductancia del anillo. Por lo tanto puede estimarse como la función de (convertidor de flujo a voltaje) [6] [7] de la siguiente manera:
- , dónde es la autoinducción del anillo superconductor
La discusión en esta sección supuso una cuantificación de flujo perfecta en el bucle. Sin embargo, esto solo es cierto para bucles grandes con una gran autoinducción. De acuerdo con las relaciones, dadas anteriormente, esto implica también pequeñas variaciones de corriente y voltaje. En la práctica, la autoinduccióndel bucle no es tan grande. El caso general se puede evaluar introduciendo un parámetro
con la corriente crítica del CALAMAR. Por lo generales de orden uno. [8]
CALAMAR RF
El RF SQUID fue inventado en 1965 por Robert Jaklevic, John J. Lambe, Arnold Silver y James Edward Zimmerman en Ford. [7] Se basa en el efecto AC Josephson y utiliza solo una unión Josephson. Es menos sensible en comparación con DC SQUID pero es más barato y más fácil de fabricar en cantidades más pequeñas. La mayoría de las medidas fundamentales en biomagnetismo , incluso de señales extremadamente pequeñas, se han realizado utilizando RF SQUIDS. [9] [10] El RF SQUID está acoplado inductivamente a un circuito de tanque resonante. [11] Dependiendo del campo magnético externo, como el SQUID opera en el modo resistivo, la inductancia efectiva del circuito del tanque cambia, cambiando así la frecuencia de resonancia del circuito del tanque. Estas mediciones de frecuencia se pueden tomar fácilmente y, por lo tanto, las pérdidas que aparecen como el voltaje a través de la resistencia de carga en el circuito son una función periódica del flujo magnético aplicado con un período de. Para una descripción matemática precisa, consulte el artículo original de Erné et al. [6] [12]
Materiales usados
Los materiales superconductores tradicionales para los SQUID son niobio puro o una aleación de plomo con un 10% de oro o indio , ya que el plomo puro es inestable cuando su temperatura cambia repetidamente. Para mantener la superconductividad, todo el dispositivo debe funcionar dentro de unos pocos grados de cero absoluto , enfriado con helio líquido . [13]
Los sensores SQUID de alta temperatura se desarrollaron a fines de la década de 1980. [14] Están hechos de superconductores de alta temperatura , particularmente YBCO , y se enfrían con nitrógeno líquido, que es más barato y más fácil de manipular que el helio líquido. Son menos sensibles que los SQUIDs convencionales de baja temperatura, pero lo suficientemente buenos para muchas aplicaciones. [15]
En 2006, se mostró una prueba de concepto para los sensores CNT-SQUID construidos con un bucle de aluminio y una unión Josephson de nanotubos de carbono de pared simple . [16] Los sensores tienen un tamaño de unos 100 nm y funcionan a 1K o menos. Dichos sensores permiten contar giros. [17]
Usos
La extrema sensibilidad de los CALAMARES los hace ideales para estudios en biología. La magnetoencefalografía (MEG), por ejemplo, utiliza medidas de una serie de SQUID para hacer inferencias sobre la actividad neuronal dentro del cerebro. Debido a que los SQUID pueden operar a tasas de adquisición mucho más altas que la frecuencia temporal más alta de interés en las señales emitidas por el cerebro (kHz), MEG logra una buena resolución temporal. Otra área en la que se utilizan los CALAMARES es la magnetogastrografía , que se ocupa de registrar los campos magnéticos débiles del estómago. Una nueva aplicación de SQUIDs es el método de monitoreo de marcadores magnéticos , que se utiliza para rastrear el camino de los medicamentos aplicados por vía oral. En el entorno clínico, los SQUID se utilizan en cardiología para la formación de imágenes de campo magnético (MFI), que detecta el campo magnético del corazón para el diagnóstico y la estratificación del riesgo.
Probablemente el uso comercial más común de los SQUID sea en los sistemas de medición de propiedades magnéticas (MPMS). Se trata de sistemas llave en mano, fabricados por varios fabricantes, que miden las propiedades magnéticas de una muestra de material. Esto se hace típicamente en un rango de temperatura de 300 mK a aproximadamente 400 K. [18] Con el tamaño decreciente de los sensores SQUID desde la última década, dicho sensor puede equipar la punta de una sonda AFM . Tal dispositivo permite la medición simultánea de la rugosidad de la superficie de una muestra y el flujo magnético local. [19]
Por ejemplo, los SQUID se utilizan como detectores para realizar imágenes por resonancia magnética (IRM). Mientras que la resonancia magnética de campo alto usa campos de precesión de uno a varios teslas, la resonancia magnética detectada por SQUID usa campos de medición que se encuentran en el rango de microteslas. En un sistema de resonancia magnética convencional, la señal se escala como el cuadrado de la frecuencia de medición (y por lo tanto el campo de precesión): una potencia de frecuencia proviene de la polarización térmica de los espines a temperatura ambiente, mientras que la segunda potencia de campo proviene del hecho de que el voltaje inducido en la bobina captadora es proporcional a la frecuencia de la magnetización de precesión. Sin embargo, en el caso de la detección SQUID no sintonizada de espines prepolarizados, la intensidad de la señal de RMN es independiente del campo de precesión, lo que permite la detección de señales de RM en campos extremadamente débiles, del orden del campo magnético de la Tierra. La resonancia magnética detectada por SQUID tiene ventajas sobre los sistemas de resonancia magnética de campo alto, como el bajo costo requerido para construir dicho sistema y su compacidad. El principio se ha demostrado mediante imágenes de extremidades humanas, y su aplicación futura puede incluir la detección de tumores. [20]
Otra aplicación es el microscopio de barrido SQUID , que utiliza un SQUID sumergido en helio líquido como sonda. El uso de SQUID en la prospección de petróleo , exploración de minerales , [21] predicción de terremotos y estudios de energía geotérmica se está generalizando a medida que se desarrolla la tecnología de superconductores; También se utilizan como sensores de movimiento de precisión en una variedad de aplicaciones científicas, como la detección de ondas gravitacionales . [22] Un SQUID es el sensor en cada uno de los cuatro giroscopios empleados en la sonda de gravedad B para probar los límites de la teoría de la relatividad general . [1]
Se utilizó un RF SQUID modificado para observar el efecto Casimir dinámico por primera vez. [23] [24]
Los SQUID construidos a partir de bucles de alambre de niobio superenfriados se utilizan como base para la computadora cuántica D-Wave Systems 2000Q . [25]
Sensores de borde de transición
Uno de los usos más importantes de los SQUID es la lectura de sensores de borde de transición superconductores . Cientos de miles de SQUID multiplexados acoplados a sensores de borde de transición se están implementando actualmente para estudiar el fondo de microondas cósmico , para la astronomía de rayos X , para buscar materia oscura formada por partículas masivas que interactúan débilmente y para espectroscopía en fuentes de luz sincrotrón .
Materia oscura fría
Los SQUIDS avanzados llamados amplificadores SQUID casi cuánticos limitados forman la base del Experimento de Materia Oscura Axion (ADMX) en la Universidad de Washington. Los axiones son un candidato ideal para la materia oscura fría . [26]
Usos propuestos
Existe una aplicación militar potencial para su uso en la guerra antisubmarina como detector de anomalías magnéticas (MAD) instalado en aviones de patrulla marítima . [27]
Los SQUID se utilizan en la relaxometría superparamagnética (SPMR), una tecnología que utiliza la alta sensibilidad al campo magnético de los sensores SQUID y las propiedades superparamagnéticas de las nanopartículas de magnetita . [28] [29] Estas nanopartículas son paramagnéticas; no tienen momento magnético hasta que se exponen a un campo externo donde se vuelven ferromagnéticos. Después de la eliminación del campo de magnetización, las nanopartículas se desintegran de un estado ferromagnético a un estado paramagnético, con una constante de tiempo que depende del tamaño de las partículas y de si están unidas a una superficie externa. La medición del campo magnético en descomposición mediante sensores SQUID se utiliza para detectar y localizar las nanopartículas. Las aplicaciones para SPMR pueden incluir detección de cáncer. [30]
Ver también
- Efecto Aharonov-Bohm
- Electromagnetismo
- Geofísica
- Fenómenos cuánticos macroscópicos
Notas
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Referencias
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