Magnetyki, nadprzewodniki, magnetometr SQUID
advertisement
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 Rys. 1 Źródła pól magnetycznych o różnym natężeniu oraz poziom w 1911 roku. 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. Z drugiej strony, to właśnie nadprzewodnictwo pozwala mierzyć najsłabsze momenty magnetyczne. 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. 3 Kwantowanie strumienia magnetycznego w pętli nadprzewodzącej. Rys. 2 Pierwsza obserwacja przejścia do stanu naprzewodzącego -wynik otrzymany dla rtęci. 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 = 210-15 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, 20, 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 krytycznego J /0, a więc bardzo silnej Rys. 4 Schemat SQUIDu z dwoma 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 jednorodne 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 Rys. 6 Schemat magnetometru. detekcyjne sprzężone są indukcyjnie ze SQUIDem, Nadprzewodzące elementy (SQUID, który mierzy indukowany moment działając jako magnes, cewki i uzwojenie) chłodzone konwerter strumień-napięcie. Sygnał ze SQUIDa jest są ciekłym helem. wzmacniany i mierzony przy pomocy elektroniki pracującej w temperaturze 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).
