סקוויד

סקוויד (באנגלית: SQUID; ראשי תיבות של Superconducting quantum interference device – מכשיר התאבכות קוונטית מוליך-על) הוא מגנטומטר מאוד רגיש המשמש למדידת שדות מגנטיים מאוד עדינים, המבוסס על לולאות מוליכות-על המכילות צומתי ג'וזפסון.

סקווידים רגישים מספיק כדי למדוד שדות חלשים בסדר גודל של  טסלה תוך כמה ימים של מיצוע מדידות. רמות הרעש שלהם הן מסדר גודל של . לשם השוואה, מגנט מקרר טיפוסי מייצר 0.01 טסלה (), וכמה תהליכים בבעלי חיים מייצרים שדות מגנטיים מאוד קטנים (בין  ל־ טסלה). מגנטומטרים אטומיים SFRF שהומצאו לאחרונה פוטנציאלית רגישים יותר ולא דורשים קירור קריוגני אבל סדר הגודל שלהם גדול () והם חייבים להיות מופעל בשדה מגנטי הקרוב לאפס.

 היסטוריה ועיצוב 
ישנם שני סוגים עיקריים של סקוויד: זרם ישיר (DC), ותדר רדיו (RF). סקוויד RF יכול לעבוד עם צומת ג'וזפסון יחיד, מה שעשוי להוזיל את הייצור שלו, אבל הוא פחות רגיש.

 סקוויד זרם ישר 
ממוזער|משמאל: גרף של זרם כתלות במתח עבור סקוויד. העקומות העליונה והתחתונה מתאימות nΦ0 (n+1/2)Φ0 בהתאמה. מימין: מתח תגובה מחזורי בשל השטף דרך סקוויד. המחזוריות שווה לשטף הקוונטים אחד, Φ0.
סקוויד זרם ישר הומצא בשנת 1964 על ידי רוברט ז'קלביק, ג'ון ג'יי לאמב, ג'יימס מרסרו, וארנולד סילבר של מעבדות מחקר פורד לאחר שבריאן דייוויד ג'וזפסון הציע את אפקט ג'וזפסון ב-1962, וצומת ג'וזפסון הראשונה נעשתה על ידי ג'ון רוול ופיליפ אנדרסון ב־מעבדות בל ב-1963. יש לו שני צומתי ג'וזפסון במקביל בתוך לולאת מוליך-על. הוא מבוסס על אפקט ג'וזפסון בזרם ישר. בהיעדר כל שדה מגנטי חיצוני, הזרם הנכנס  מתפצל לשני ענפים באותה מידה. אם שדה מגנטי חיצוני קטן מוחל על לולאת מוליך-העל, זרם ממסך, מתחיל במחזור הלולאה שיוצרת שדה מגנטי המבטל את השטף חיצוני. הזרם המושרה הוא באותו כיוון כמו  באחד הענפים של לולאת מוליך-העל, והוא הפוך ל-  בענף האחר; סך הזרם נהיה  בענף אחד ו-  בשני. ברגע שהזרם בכל ענף עולה על הזרם הקריטי, , של צומת ג'וזפסון, מתח מופיע לרוחב הצומת.

עכשיו, נניח שהשטף החיצוני הוא עוד יותר גדל עד שהוא עולה על , חצי מקוונטת השטף המגנטי. כיוון שהשטף המוגדר על ידי לולאת מוליך העל חייב להיות מספר שלם של קוונטות השטף המגנטי, במקום הקרנת השטף הסקוויד עכשיו מעדיף מבחינה אנרגטית להגדיל את זה . הזרם המקרין עכשיו זורם בכיוון ההפוך. לפיכך הזרם המקרין משנה כיוון בכל פעם שהשטף גדל בחצי כפולה של . לפיכך הזרם הקריטי מתנודד כפונקציה של השטף המוקצב. אם הזרם הנקלט הוא יותר מ- , אז הסקוויד תמיד פועל במצב התנגדות. המתח במקרה זה לפיכך הוא פונקציה של השדה המגנטי המיושם והמחזור שווה ל- . מכיוון שתכונות מתח-זרם של סקוויד זרם ישר (DC) הוא היסטרטי, התנגדות העתק,  מחובר דרך הצומת כדי להסיר את ההיסטרזיס (במקרה של נחושת אוקסיד מבוססת על מוליכי על של טמפרטורה גבוהה, ההתנגדות הפנימית של הצומת בדרך כלל מספיקה). זרם ההקרנה הוא השטף המוחל מחולק על ידי ההשראה העצמית של הטבעת. לכן  יכול להיות מוערך בתור הפונקציה של  (ממיר שטף למתח) כדלקמן:
 ΔV = R Δ.

 2I = 2 ∆Φ/L, כאשר L הוא ההשראה העצמית של הטבעת מוליכת העל.

 ∆V = (R/L) ∆Φ
בדיון בסעיף זה, הניחו קווינטוט שטף מושלם בלולאה. עם זאת, זה נכון רק עבור לולאות גדולות עם השראה עצמית גדולה. על פי היחסים, שהובאו לעיל, זה מרמז גם זרם קטן ושינויי מתח. בפועל ההשראה העצמית L של הלולאה לא כל כך גדולה. את המקרה כללי ניתן להעריך על ידי הצגת פרמטר

כאשר ic הזרם הקריטי של הסקוויד. בדרך כלל λ הוא מסדר אחד.

 סקוויד RF 
ממוזער|אבטיפוס סקוויד
סקוויד RF הומצא בשנת 1965 על ידי רוברט ז'קלביק, ג'ון ג'יי לאמב, ארנולד סילבר, וג'יימס אדוארד צימרמן ב-"פורד". הוא מבוסס על אפקט ג'וזפסון AC ומשתמש רק בצומת ג'וזפסון אחד. הוא פחות רגיש בהשוואה לסקוויד זרם ישר אבל הוא זול יותר, וקל יותר לייצר אותו בכמויות קטנות יותר. המדידות הבסיסיות ביותר בביומגנטיזציה, אפילו של אותות קטנים מאוד, נעשו באמצעות RF-SQUID. סקוויד RF מוצמד אינדוקטיבית למעגל מכל תהודה. כתלות בשדה המגנטי החיצוני, כמו שסקוויד פועל במצב התנגדות, ההשראה האפקטיבית של מעגל המכל משתנה, ובכך משנה את תדר התהודה של מעגל המכל. את מדידות התדירות האלה ניתן לקחת בקלות, ובכך ההפסדים אשר מופיעים כמתח על פני נגד העומס במעגל הם פונקציה מחזורית של השטף המגנטי המוכל במחזור של Φ0. בשביל תיאור מתמטי מדויק עיין במאמר המקורי של Erné et al.

 חומרים בהם משתמשים 
החומרים מוליכי העל המסורתיים לסקווידים הם, ניאוביום טהור או סגסוגת עופרת עם 10% זהב או אינדיום, כי עופרת טהורה לא יציבה כאשר הטמפרטורה שלו שוב ושוב משתנה. כדי לשמור על מוליכות-על, כל המכשיר צריך לפעול בתוך כמה מעלות של האפס המוחלט, מקורר עם הליום נוזלי.

ב-2006, הוצגה הוכחה של הקונספט על חיישני CNT-SQUID בנויים מאלומיניום (עבור הלולאה) וקיר בודד של ננו-צינור מפחמן (CNT). החיישנים בגודל 100 ננומטר ופועלים בטמפרטורת 1K או מתחת. חיישנים כאלה מאפשרים לספור ספינים.

"חיישני סקוויד בטמפרטורה גבוהה" עדכניים יותר; הם עשויים ממוליכי על בטמפרטורה גבוהה, במיוחד YBCO, מקוררים על ידי חנקן נוזלי אשר הוא זול יותר, וקל יותר לטפל בו מאשר בהליום נוזלי. הם פחות רגישים מסקווידים קונבנציונליים של טמפ' נמוכה אבל מספיק טוב עבור יישומים רבים.

 שימושים 
ממוזער|החלקים הפנימיים של דגם מוקדם של סקוויד
הרגישות הרבה של סקווידים עושה אותם אידיאליים עבור מחקרים בביולוגיה. מגנטואנצפלוגרפיה (MEG), למשל, משתמשת במדידות מתוך מערך של סקווידים כדי להסיק על פעילות עצבית בתוך המוח. מכיוון שדיונונים יכולים לפעול בשיעורי אקויזיציה הרבה יותר גבוהים מאשר התדירות הטמפורלית הגבוהה ביותר של אותות הנפלטים על ידי המוח (kHz), מג משיגה רזולוציה טמפורלית טובה. תחום נוסף שבו סקווידים משמשים הוא מגנטוגסטרוגרפיה העוסק בהקלטה של שדות מגנטיים חלשים של הקיבה. יישום אצילי של סקווידים הוא שיטת סמן ניטור מגנטי, אשר משמשת כדי לעקוב אחר הנתיב של תרופות הניטלות דרך הפה. בסביבה הקלינית, סקווידים משמשים בקרדיולוגיה עבור הדמיית שדה מגנטי (MFI), אשר מזהה את השדה המגנטי של הלב לאבחון וריבוד סיכון.

כנראה השימוש הכי מסחרי בסקווידים הוא מערכות מדידת רכוש מגנטי (MPMS). אלה מערכות turn-key, שנעשו על ידי מספר יצרנים, שמודדות את התכונות המגנטיות של דגימת חומר. זה נעשה בדרך כלל בטווח טמפרטורה של 300mK עד בערך 400K עם הפחתת גודל של חיישני SQUID מאז העשור האחרון, חיישן כזה יכול לצייד את הקצה של בדיקת AFM הבדיקה. מכשיר כזה מאפשר מדידה בו זמנית של חספוס של פני השטח של דגימה והשטף המגנטי המקומי.

לדוגמה, סקווידים, משמשים כגלאים כדי לבצע דימות תהודה מגנטית (MRI). בזמן ש-MRI שדה גבוה משתמש בשדות נקיפה של אחת לכמה טסלה, MRI סקוויד משתמש במדידת שדות בטווח מיקרוטסלה. במערכת MRI קונבנציונלית, סולמות האות כמו בריבוע של מדידת תדר (ומכאן נקיפת שדה): כוח אחד של תדר נובע מהקיטוב התרמי של הספינים בטמפרטורת החדר, ואילו הכוח השני של השדה בא מן העובדה כי מתח מושרה בסליל פרופורציונלי לתדר של precessing מגנוט. במקרה של untuned דיונון זיהוי של prepolarized ספינים, עם זאת, תמ"ג עוצמת האות היא עצמאית של נקיפת שדה, המאפשר MRI אות זיהוי חלש ביותר שדות, של סדר, של כדור הארץ השדה. דיונון-זוהה MRI יש יתרונות על פני גבוה בתחום מערכות MRI, כגון עלות נמוכה נדרש לבנות מערכת כזו, שלה הקומפקטיות. העיקרון הודגם על ידי הדמיה אנושית הגפיים, והעתיד שלה היישום עשוי לכלול גידול ההקרנה.

קישורים חיצוניים

 הערות שוליים 

קטגוריה:ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
קטגוריה:מכשירי מדידה
קטגוריה:זרם חשמלי