Microscopía de escaneo SQUID

La microscopía de barrido SQUID es una técnica en la que se utiliza un dispositivo superconductor de interferencia cuántica (SQUID) para obtener imágenes de la intensidad del campo magnético de la superficie con una resolución de escala micrométrica. Se monta un pequeño CALAMAR en una punta que luego se raspa cerca de la superficie de la muestra que se va a medir. Como el SQUID es el detector de campos magnéticos más sensible disponible y se puede construir en anchos submicrométricos mediante litografía, el microscopio de barrido SQUID permite medir los campos magnéticos con una resolución y sensibilidad incomparables. El primer microscopio de barrido SQUID fue construido en 1992 por Black et al. [2] Desde entonces, la técnica se ha utilizado para confirmar la superconductividad no convencional en variossuperconductores de alta temperatura, incluidos compuestos YBCO y BSCCO .

El microscopio de barrido SQUID se basa en el DC SQUID de película fina . Un DC SQUID consta de electrodos superconductores en un patrón de anillo conectados por dos uniones Josephson de enlace débil (ver figura). Por encima de la corriente crítica de las uniones de Josephson, la diferencia idealizada de voltaje entre los electrodos viene dada por [3]

donde R es la resistencia entre los electrodos, I es la corriente , I 0 es la supercorriente máxima , I c es la corriente crítica de las uniones de Josephson, Φ es el flujo magnético total a través del anillo y Φ 0 es el cuanto de flujo magnético .

Por lo tanto, se puede usar un DC SQUID como un transductor de flujo a voltaje . Sin embargo, como se observa en la figura, el voltaje a través de los electrodos oscila sinusoidalmente con respecto a la cantidad de flujo magnético que pasa a través del dispositivo. Como resultado, solo un SQUID solo se puede usar para medir el cambio en el campo magnético de algún valor conocido, a menos que el campo magnético o el tamaño del dispositivo sea muy pequeño, tal que Φ <Φ 0. Para usar el DC SQUID para medir campos magnéticos estándar, uno debe contar el número de oscilaciones en el voltaje a medida que se cambia el campo, lo cual es muy difícil en la práctica, o usar un campo magnético de polarización de CC separado paralelo al dispositivo para mantener un voltaje constante y, en consecuencia, flujo magnético constante a través del bucle. La fuerza del campo que se mide será entonces igual a la fuerza del campo magnético de polarización que pasa a través del SQUID.

Aunque es posible leer el voltaje de CC entre los dos terminales del SQUID directamente, debido a que el ruido tiende a ser un problema en las mediciones de CC, se utiliza una técnica de corriente alterna . Además del campo magnético de polarización de CC , también se emite en la bobina de polarización un campo magnético de CA de amplitud constante, con una fuerza de campo que genera Φ << Φ 0 . Este campo de CA produce un voltaje de CA con amplitud proporcional al componente de CC en el SQUID. La ventaja de esta técnica es que la frecuencia de la señal de voltaje se puede elegir para que esté lejos de la de cualquier fuente de ruido potencial. Al usar un amplificador de bloqueo, el dispositivo puede leer solo la frecuencia correspondiente al campo magnético, ignorando muchas otras fuentes de ruido.

Un microscopio de barrido SQUID es un sistema de imágenes de campo cercano sensible para la medición de campos magnéticos débiles moviendo un dispositivo de interferencia cuántica superconductora ( SQUID ) a través de un área. El microscopio puede trazar un mapa de los cables que transportan corriente enterrados midiendo los campos magnéticos producidos por las corrientes, o puede usarse para visualizar campos producidos por materiales magnéticos. Al mapear la corriente en un circuito integrado o un paquete, los cortocircuitos se pueden localizar y los diseños de chips se pueden verificar para ver que la corriente fluye donde se espera.

Izquierda: Esquema de un microscopio de barrido SQUID en un refrigerador de helio-4. El soporte verde para la sonda SQUID está unido a un diapasón de cuarzo. La parte inferior es una etapa de muestra piezoeléctrica. Derecha: micrografía electrónica de una sonda SQUID y una imagen de prueba de tiras de Nb / Au registradas con ella. [1]
Diagrama de un CALAMAR DC. La corriente entra y se divide en los dos caminos, cada uno con corrientes y . Las delgadas barreras en cada camino son uniones de Josephson, que juntas separan las dos regiones superconductoras. representa el flujo magnético que ingresa al interior del bucle DC SQUID.
Microscopio de barrido SQUID
Figura 1: Esquema eléctrico de un SQUID donde I b es la corriente de polarización, I 0 es la corriente crítica del SQUID, Φ es el flujo que enhebra el SQUID y V es la respuesta de voltaje a ese flujo.
Figura 2 a) Gráfico de corriente vs. voltaje para un CALAMAR. Las curvas superior e inferior corresponden a nΦ 0 y (n + 1/2 ) Φ 0 respectivamente. Figura 2 b) Respuesta de voltaje periódica debido al flujo a través de un CALAMAR. La periodicidad es igual a un cuanto de flujo, Φ 0
Vórtices cuánticos en YBCO captados por microscopía de barrido SQUID [12]
La imagen actual superpuso la imagen óptica de la pieza y el diseño de la pieza.
Imagen óptica de las uniones de alambre desencajadas que se levantan del dado y tocan otra unión de alambre
Figura 1 (a) Esquema que muestra alambres de unión típicos en un paquete de matrices de triple apilado, Figura 1 (b) Vista lateral de rayos X del paquete de matrices de triple apilado real.
Figura 2: Superposición de imágenes de densidad de corriente, ópticas y CAD en un paquete de matrices de triple apilado con modo de falla eléctrica por cortocircuito.
Figura 3: Imagen de la sección transversal que muestra un cable de enlace tocando el troquel y provocando una fuga de señal a tierra.
Figura 1 Imagen de CALAMAR del paquete que indica la ubicación del cortocircuito.
Figura 2: Imagen radiográfica de alta resolución del filamento, medida a 2,9 micrómetros de ancho. La imagen muestra el filamento corriendo debajo de ambos cables en cortocircuito.
Figura 1: Una vista externa del módulo EEPROM muestra el eje de coordenadas utilizado mientras se realizan imágenes de corriente magnética ortogonal. Estos ejes se utilizan para definir los planos de exploración en el cuerpo del papel.
Figura 2: La radiografía, que muestra tres vistas ortogonales de la pieza, revela la construcción interna del módulo.
Figura 3: Superposición de una imagen de corriente magnética en una imagen de rayos X del módulo EEPROM. El umbral se utilizó para mostrar solo la corriente más fuerte en el condensador de la mini placa TSOP08. Las flechas indican los pines Vcc y Vss. Esta imagen está en el plano xy.