Supergeleidende apparaten

Supergeleidende apparaten, hoewel niet veel gebruikt, hebben enkele unieke kenmerken die niet beschikbaar zijn in standaard halfgeleiderapparaten. Hoge gevoeligheid met betrekking tot versterking van elektrische signalen, detectie van magnetische velden en detectie van licht zijn gewaardeerde toepassingen. Snel schakelen is ook mogelijk, maar wordt op dit moment niet toegepast op computers. Conventionele supergeleidende apparaten moeten worden gekoeld tot binnen enkele graden van 0 Kelvin (-273 ^o C). Er wordt op dit moment echter gewerkt aan hogetemperatuursupergeleider gebaseerde apparaten, bruikbaar bij 90 K en lager. Dit is belangrijk omdat goedkope vloeibare stikstof kan worden gebruikt voor koeling.

Supergeleidende apparaten

Supergeleiding

Supergeleiding: Heike Onnes ontdekte supergeleiding in kwik (Hg) in 1911, waarvoor hij een Nobelprijs won. De meeste metalen verminderen de elektrische weerstand bij afnemende temperatuur. De meeste nemen echter niet af tot nul weerstand als 0 Kelvin wordt benaderd. Mercurius is uniek omdat zijn weerstand abrupt daalt tot nul Ω bij 4,2 K. Supergeleiders verliezen abrupt alle weerstand wanneer ze worden afgekoeld tot onder hun kritische temperatuur, T _c Een eigenschap van supergeleiding is geen vermogensverlies in geleiders. Stroom kan duizenden jaren in een lus van supergeleidende draad vloeien. Supergeleiders omvatten lood (Pb), aluminium, (Al), tin (Sn) en niobium (Nb).

Cooper-paar

Cooper-paar: Lossless geleiding in supergeleiders is niet door gewone elektronenstroom. Elektronenstroom in normale geleiders ontmoet oppositie als botsingen met het stijve ionische metaalkristalrooster. Afnemende trillingen van het kristalrooster met afnemende temperatuur zorgen voor afnemende weerstand - tot op zekere hoogte. Roostertrillingen stoppen bij het absolute nulpunt, maar niet de energieverdrijvende botsingen van elektronen met het rooster. Normale geleiders verliezen dus niet alle weerstand bij het absolute nulpunt.

Elektronen in supergeleiders vormen een elektronenpaar dat een cooper-paar wordt genoemd , als de temperatuur daalt tot onder de kritische temperatuur waarbij supergeleiding begint. Het cooper-paar bestaat omdat het zich op een lager energieniveau bevindt dan ongepaarde elektronen. De elektronen worden tot elkaar aangetrokken door de uitwisseling van fononen , zeer lage energiedeeltjes die verband houden met trillingen. Dit cooper-paar, kwantummechanische entiteit (deeltje of golf) is niet onderworpen aan de normale wetten van de fysica. Deze entiteit plant zich voort door het rooster zonder de metaalionen te ontmoeten die het vaste rooster vormen. Het verspilt dus geen energie. Door de kwantummechanische aard van het kuiperpaar kan het alleen discrete hoeveelheden energie uitwisselen, niet continu variabele hoeveelheden. Een absoluut minimum aan energie is acceptabel voor het kuiperpaar. Als de trillingsenergie van het kristalrooster minder is (vanwege de lage temperatuur), kan het kuiperpaar het niet accepteren en kan het niet door het rooster worden verstrooid. Dus onder de kritische temperatuur stromen de kuiperparen ongehinderd door het rooster.

Josephson-knooppunten en transistors

Josephson-knooppunten: Brian Josephson won een Nobelprijs voor zijn voorspelling in 1962 van het Josepheson-knooppunt . Een Josephson-junctie is een paar supergeleiders overbrugd door een dunne isolator, zoals in figuur hieronder (a), waardoor elektronen kunnen tunnelen. De eerste Josephson-juncties waren loden supergeleiders die werden overbrugd door een isolator. Tegenwoordig heeft een drielaags aluminium en niobium de voorkeur. Elektronen kunnen door de isolator tunnelen, zelfs als er geen spanning over de supergeleiders wordt aangelegd.

Als er een spanning over de junctie wordt aangelegd, neemt de stroom af en oscilleert met een hoge frequentie die evenredig is met de spanning. De relatie tussen aangelegde spanning en frequentie is zo nauwkeurig dat de standaard volt nu wordt gedefinieerd in termen van Josephson-junctie-oscillatiefrequentie. De Josephson-junctie kan ook dienen als een hypergevoelige detector van magnetische velden op laag niveau. Het is ook erg gevoelig voor elektromagnetische straling van microgolven tot gammastralen.

(a) Josephson-junctie, (b) Josephson-transistor.

Josephson-transistor: Een elektrode dichtbij het oxide van de Josephson-junctie kan de junctie beïnvloeden door capacitieve koppeling. Een dergelijk samenstel in figuur hierboven (b) is een Josephson-transistor. Een belangrijk kenmerk van de Josephson-transistor is een lage vermogensdissipatie die van toepassing is op circuits met een hoge dichtheid, bijvoorbeeld computers. Deze transistor maakt over het algemeen deel uit van een complexer supergeleidend apparaat zoals een SQUID of RSFQ.

Supergeleidend kwantuminterferentieapparaat (SQUID)

INKTVIS: Een Supergeleidend apparaat voor kwantuminterferentie of SQUID is een samenstel van Josephson-juncties in een supergeleidende ring. Alleen de DC SQUID wordt in deze discussie beschouwd. Dit apparaat is zeer gevoelig voor magnetische velden van laag niveau.

Een constante stroomvoorspanning wordt parallel aan beide Josephson-overgangen in de onderstaande afbeelding over de ring gedwongen. De stroom wordt gelijk verdeeld tussen de twee knooppunten bij afwezigheid van een aangelegd magnetisch veld en er wordt geen spanning over de ring ontwikkeld. [JBc] Hoewel elke waarde van magnetische flux (Φ) op de SQUID kan worden toegepast, kan alleen een gekwantiseerde waarde (een veelvoud van de fluxquanta) door de opening in de supergeleidende ring stromen. [JBa] Als de toegepaste flux dat niet is een exact veelvoud van de fluxquanta is, wordt de overtollige flux opgeheven door een circulatiestroom rond de ring die een fractionele fluxquanta produceert. De circulatiestroom zal in die richting vloeien die elke overtollige flux boven een veelvoud van de fluxquanta opheft. Het kan ofwel optellen bij of aftrekken van de toegepaste flux, tot ±(1/2) een fluxquanta. Als de circulatiestroom met de klok mee stroomt, wordt de stroom toegevoegd aan de bovenste Josephson-junctie en afgetrokken van de onderste. Als de aangelegde flux lineair verandert, verandert de circulatiestroom als een sinusoïde. [JBb] Dit kan worden gemeten als een spanning over de SQUID. Naarmate het aangelegde magnetische veld toeneemt, kan voor elke toename een spanningspuls worden geteld met een fluxquanta. [HYP]

Supergeleidend kwantuminterferentieapparaat (SQUID):Josephson-junctiepaar in een supergeleidende ring. Een verandering in flux veroorzaakt een spanningsvariatie over het JJ-paar.

Er wordt gezegd dat een SQUID gevoelig is voor 10 ^-14 Tesla, het kan het magnetische veld van neurale stromen in de hersenen detecteren op 10 ^-13 Tesla. Vergelijk dit met de 30 x 10 ^-6 Tesla-sterkte van het aardmagnetisch veld.

Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)

Rapid single flux quantum (RSFQ): In plaats van siliciumhalfgeleidercircuits na te bootsen, vertrouwen RSFQ-circuits op nieuwe concepten:magnetische fluxkwantisatie binnen een supergeleider en beweging van de fluxquanta produceert een picoseconde gekwantiseerde spanningspuls. Magnetische flux kan alleen bestaan ​​binnen een sectie van supergeleider gekwantiseerd in discrete veelvouden. De laagst toegestane fluxquanta wordt gebruikt. De pulsen worden geschakeld door Josephson-juncties in plaats van conventionele transistors. De supergeleiders zijn gebaseerd op een driedubbele laag aluminium en niobium met een kritische temperatuur van 9,5 K, afgekoeld tot 5 K.

RSQF's werken op meer dan 100 GHz met zeer weinig vermogensdissipatie. Vervaardiging is eenvoudig met bestaande fotolithografische technieken. De werking vereist echter koeling tot 5 K. Commerciële toepassingen in de echte wereld omvatten analoog-naar-digitaal en digitaal-naar-analoog-omzetters, toggle-flip-flops, schuifregisters, geheugen, optellers en vermenigvuldigers.[DKB]

Supergeleiders voor hoge temperaturen

Supergeleiders voor hoge temperaturen: Hoge temperatuur supergeleiders zijn verbindingen die supergeleiding vertonen boven het kookpunt van vloeibare stikstof van 77 K. Dit is belangrijk omdat vloeibare stikstof gemakkelijk verkrijgbaar en goedkoop is. De meeste conventionele supergeleiders zijn metalen; veelgebruikte supergeleiders voor hoge temperaturen zijn cuprates , gemengde oxiden van koper (Cu), bijvoorbeeld YBa₂ Cu₃ O_7-x , kritische temperatuur, T_c =90 K. Er is een lijst met andere beschikbaar. [OXFD] De meeste apparaten die in deze sectie worden beschreven, worden ontwikkeld in supergeleiderversies voor hoge temperaturen voor minder kritieke toepassingen. Hoewel ze niet de prestaties hebben van de conventionele metalen supergeleiders, is de koeling met vloeibare stikstof beter beschikbaar.

BEOORDELING:

• De meeste metalen verminderen de weerstand naarmate ze de absolute 0 naderen; de weerstand daalt echter niet tot 0. Supergeleiders ervaren een snelle daling tot nul weerstand bij hun kritische temperatuur wanneer ze worden afgekoeld. Typisch T_c is binnen 10 K van het absolute nulpunt.
• Een Cooper-paar, elektronenpaar, een kwantummechanische entiteit, beweegt ongehinderd door het metalen kristalrooster.
• Elektronen kunnen tunnelen door een Josephson-junctie, een isolerende opening over een paar supergeleiders.
• De toevoeging van een derde elektrode, of poort, nabij de kruising vormt een Josephson-transistor.
• Een SQUID, Supergeleidend kwantuminterferentieapparaat, is een zeer gevoelige detector van magnetische velden. Het telt kwantumeenheden van een magnetisch veld binnen een supergeleidende ring.
• RSFQ, Rapid single flux quantum is een high-speed schakelapparaat gebaseerd op het schakelen van de magnetische quanta die binnen een supergeleidende lus bestaan.
• Hoge-temperatuur supergeleiders, T_c boven het kookpunt van vloeibare stikstof, kunnen ook worden gebruikt om de supergeleidende apparaten in deze sectie te bouwen.