Magnetyki, nadprzewodniki, magnetometr SQUID

Magnetyki, nadprzewodniki, magnetometr SQUID
Magnetyzm jest jedną z fundamentalnych własności materii. Mimo iż znany był od czasów
antycznych, dopiero w XIX-wieku Oersted zauważył związek pola magnetycznego z prądem
elektrycznym, Faraday odkrył indukcję elektromagnetyczną, a Maxwell podał równania
wiążące pole elektryczne z magnetycznym. Kiedy w pierwszej połowie XX-go wieku powstała
mechanika kwantowa, można było wyjaśnić pochodzenie momentu magnetycznego
atomów, jonów, czy cząsteczek. Ponieważ jednak magnetyzm substancji jest zjawiskiem
kolektywnym, tzn. wynika z oddziaływań ogromnej liczby atomów i zależy od otoczeń tych
atomów, własności magnetyczne układów rzeczywistych są bardzo różnorodne i złożone.
Podstawowymi wielkościami charakteryzującymi własności magnetyczne substancji
są magnetyzacja M (moment magnetyczny jednostki masy lub objętości materiału)
i podatność magnetyczna , związane z natężeniem zewnętrznego pola magnetycznego H
prostą zależnością: M =  H. Podatność  może być ujemna (diamagnetyki, nadprzewodniki)
lub dodatnia, tak jak dla paramagnetyków i ferromagnetyków, przy czym dla tych ostatnich 
zależne jest od natężenia pola magnetycznego. Ferromagnetyki różnych typów mają bardzo
liczne zastosowania. Do pomiaru podatności magnetycznej i magnetyzacji używa się
następujących technik badawczych:
(1) klasyczne metody pomiaru siły, z jaką niejednorodne pole magnetyczne działa na badaną
substancję; urządzenia tego typu to wagi magnetyczne Farady’a lub Guy’a
(2) metody indukcyjne, rejestrujące napięcie indukowane przez zmianę strumienia
magnetycznego wywołaną ruchem próbki, ruchem cewki detekcyjnej lub zmiennym
polem magnetycznym; urządzenia tego typu to magnetometry lub podatnościomierze.
Najczulszym detektorem momentów magnetycznych jest magnetometr bazujący na pomiarze zmian
strumienia
magnetycznego
przy
pomocy
nadprzewodzącego interferometru kwantowego elementu
SQUID
(Superconducting
Quantum
Interference Device). SQUID działa jako konwerter
strumień-napięcie, umożliwiając badania słabych
magnetyków oraz bardzo małych próbek, włącznie
z materiałami biologicznymi i układami w skali nano.
Rys. 1 ilustruje doskonałą czułość elementu SQUID i jego
przydatność do wykrywania pól magnetycznych; jest ona
wykorzystywana w fizyce, chemii, medycynie, biologii,
geofizyce i kosmologii.
Działanie SQUIDa jest związane ze zjawiskiem
nadprzewodnictwa wykrytym przez Kammerlingha
Onnesa w 1911 roku.
Rys. 1 Źródła pól magnetycznych o różnym
natężeniu oraz poziom detekcji SQUIDa
Nadprzewodnictwo, a więc przewodzenie prądu bez oporu, występuje w wielu
metalach i stopach poniżej charakterystycznej temperatury krytycznej Tc. Rys. 2 przedstawia
wynik otrzymany dla rtęci. Zerowy opór powoduje, że prąd wzbudzony w pierścieniu
nadprzewodzącym będzie płynąć przez lata bez zasilania, co jest podstawą funkcjonowania
magnesów nadprzewodzących. Własności magnetyczne nadprzewodników są niezwykłe i nie
da się ich wyjaśnić tylko na podstawie zerowego oporu. W niezbyt silnym polu
magnetycznym nadprzewodnik lewituje i zachowuje się jak idealny diamagnetyk.
Obserwowany jest tzw. efekt Meissnera, czyli wypychanie strumienia magnetycznego
z objętości próbki przy schłodzeniu jej poniżej Tc. Odpowiednio silne pole niszczy stan
nadprzewodzący. Prawie pięćdziesiąt lat po odkryciu Kammerlingha Onnesa powstała teoria,
która tłumaczy pojawianie się i właściwości stanu nadprzewodzącego. Od nazwisk jej
twórców (Bardeen, Cooper i Schrieffer) teoria ta nazywa się teorią BCS. Jest to teoria
kwantowa. Jak stwierdzono, mechanizmem odpowiedzialnym za nadprzewodnictwo jest
powstawanie par elektronowych tzw. par Coopera, o ładunku 2e, które związane są ze sobą
za pomocą drgań sieci w taki sposób, że nie ma rozpraszania przy przepływie prądu.
Oddziaływanie między elektronami w parze prowadzi do przeciwnego ustawienia ich spinów
( ↑ i ↓ ) i zerowania spinu wypadkowego pary, skutkiem czego nieskończenie wiele par
może znajdować się w jednym stanie energetycznym.
Rys. 2 Pierwsza obserwacja przejścia do stanu Rys. 3 Kwantowanie strumienia magnetynaprzewodzącego -wynik otrzymany dla rtęci.
cznego w pętli nadprzewodzącej.
Stan nadprzewodzący (zbiór wszystkich par Coopera) opisany jest przez jedną
„makroskopową” funkcję falową, która ma amplitudę i fazę. Spójność fazowa par Coopera
prowadzi do dwóch zjawisk, na których opiera się działanie interferometru kwantowego czyli
urządzenia SQUID:
(1) Kwantowanie strumienia magnetycznego w pierścieniu nadprzewodzącym
(2) Efekt Josephsona - tunelowanie par Coopera przez warstwę izolatora (tzw. słabe złącze)
z jednego nadprzewodnika do drugiego.
Jak pokazano na Rys. 3, całkowity strumień magnetyczny  (iloczyn natężenia pola
i powierzchni) przechodzący przez pętlę nadprzewodzącą jest zawsze wielokrotnością
kwantu strumienia 0:
 = n 0, gdzie 0 = h/2e = 210-15 tesla m2, h - stała Planck’a. Jeśli przyłożone pole nie
byłoby wielokrotnością 0, wtedy nadprzewodzący prąd w pętli dostosuje swe natężenie,
aby wielokrotność 0 była zachowana.
Tunelowanie prądu nadprzewodzącego przez słabe złącze powoduje zmianę fazy funkcji
falowej. W obwodzie SQUIDu może znajdować się jedno lub dwa słabe złącza. Schemat
SQUIDu z dwoma złączami pokazany jest na
rysunku 4. Jest to pętla z drutu nadprzewodzacego
(np. niobu) o powierzchni S ok. 0.1 mm2
przedzielona w dwóch miejscach cienką warstwą
izolatora. Natężenie przepływającego prądu jest
równe sumie prądów w połówkach obwodu. Gdy
strumień magnetyczny  = Ba*S przechodzący
przez pętlę wynosi 0, 0, 20, itd. zmiana fazy na
złączach jest jednakowa, natomiast gdy strumień
nie jest wielokrotnością 0, zmiana fazy na
złączach jest różna, bo kompensujący prąd i ma
przeciwny kierunek w lewym i prawym złączu.
Interefencja funkcji falowych w dwóch połówkach
pierścienia prowadzi do oscylacji natężenia prądu
Rys. 4 Schemat SQUIDu z dwoma
krytycznego J  /0, a więc bardzo silnej
słabymi złączami
zależności J od pola Ba. Zależność tę wyznacza się
poprzez pomiar napięcia V.
Rys. 5a Zależność sygnału SQUIDa od pola
magnetycznego - rezultat interferencji
kwantowej
Rys. 5b Zależność prądu tunelowego w
SQUIDzie od pola magnetycznego - wynik
eksperymentalny.
Niezwykle silna zależność sygnału SQUIDa od pola magnetycznego jest podstawą
działania wysokoczułych magnetometrów. Służą one do precyzyjnych badań słabych
magnetyków oraz bardzo małych próbek, włącznie z układami w skali nano. Ważnym
podkreślenia jest fakt, ze magnetometria SQUIDowa jest jedyną techniką pozwalającą na
wyznaczenie magnetycznego momentu próbki w jednostkach absolutnych.
Schemat magnetometru przedstawiony jest
na Rys. 6. Oprócz elementu SQUID w magnetometrze
znajduje się magnes nadprzewodzący wytwarzający
jedmorodne pole magnetyczne o natężeniu kilku
tesli,
współosiowy
do
magnesu
układ
nadprzewodzących cewek detekcyjnych oraz
nadprzewodząca cewka ekranująca, która izoluje
SQUID od fluktuacji pól zewnętrznych. Wszystkie
elementy
nadprzewodzące
znajdują
się
w temperaturze ciekłego helu równej 4.2 K. Podczas
pomiaru próbka przesuwa się lub drga
w nadprzewodzących
cewkach
detekcyjnych
w jednorodnym polu magnetycznym. Moment
magnetyczny poruszającej się próbki indukuje
w cewkach prąd. Cewki detekcyjne sprzężone są
indukcyjnie ze SQUIDem, który mierzy indukowany
moment działając jako konwerter strumień-napięcie.
Rys. 6 Schemat magnetometru. Nadprzewodzące
elementy
(SQUID,
Sygnał ze SQUIDa jest wzmacniany i mierzony przy
magnes, cewki i uzwojenie) chłodzone
pomocy elektroniki pracującej w temperaturze
są ciekłym helem.
pokojowej.
Czułość magnetometru firmy Quantum Design, który w grudniy 2012 r. został uruchomiony
w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN (zdjęcie)sięga 10-8 emu (electromagnetic unit = 10-3 J/T), tak
więc może zarejestrować ułamki nanograma żelaza (moment 1 g Fe wynosi ok. 200 emu).