Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf

^ІІНЕЕЗЕЕЕЕІГ

6

6

Рис. 28. Схема включения двухбарьерного датчика Джозефсона для наблюдения интерференции сверхпроводящих токов

<?і, Сг — гальванометры

Формула, описывающая ток Джозефсона, в данном случае име­ ет вид [13]:

где (2п)-1-Н0 — поле, соответствующее наличию в барьере 1 кван­

а<1 сиг2, поэтому разрешимые значения составляют около ІО-8— ІО-9 гс. Можно, однако, пойти и по другому пути, а именно, исполь­ зовать сразу несколько параллельно включенных джозефсоновских барьеров. При этом в соответствии с формулой для разрешаю­ щей силы такой «магнитной диффракционной решетки» ее разрешаю­ щая способность будет увеличена в N раз, где N — половина об­ щего числа «штрихов» — числа джозефсоновских барьеров. (На­ помним, что для оптической диффракционной решетки разрешаю­ щая способность R равна R=nN, где п — порядок спектра; N — общее число штрихов.)

Остановимся на некоторых вопросах экспериментальной мето­ дики, связанной с получением джозефсоновских образцов [16—25].

Напыление образцов производится обычно на охлажденную до 78° К стеклянную подложку (с хорошим качеством поверх­

ности) в вакууме при давлении /?~10~5 мм рт. ст.

В случае использования оловянных напыленных пленок, тол-

122

6

щина которых берется в пределах 1000—2000 А, джозефсоновскии барьер получают следующим образом. Сначала производится напы­ ление (по трафарету) оловянной полоски нужных размеров в вы­

пленки Sn. При этом образуется непроводящий слой окисла олова

дий, который также может быть нанесен в вакууме на соответствую­ щие участки оловянных пленок, либо «втерт» хорошо зачищенным паяльником, луженым индием, в стеклянную или кварцевую под­ ложку. Величина сопротивления барьера при правильном приго­ товлении образца должна быть порядка ІО-3—ІО-2 Ом-мм2.

Аналогичным образом можно проводить напыление и более сложных джозефсоновских барьеров, например типа «слоеного пирога». Здесь следует, однако, отметить, что получаемые таким путем туннельные образцы являются весьма недолговечными (глав­ ным образом, ввиду диффузии атомов от слоя к слою) и требуют хранения при низкой температуре в условиях достаточно высо­ кого вакуума. В последнее время удалось получить туннельные пе­ реходы, свободные от этого недостатка;.

Одним из методов получения высокостабильных туннельных барьеров является окисление напыленной пленки в плазме тлею­ щего разряда при давлениях р~ 10 _1Ч-10-2 мм рт. ст., причем окисляемая поверхность является катодом и подвергается бомбар­ дировке ионами кислорода [24, 25]. Время окисления зависит от величины давления и тока и обычно составляет менее одной мину­ ты для получения изоляционных пленок толщиной 14—16 А. Тун­ нельные образцы из РЬ, изготовленные таким методом, сохраняют стабильность своих характеристик в течение нескольких месяцев и выдерживают многократные охлаждения до 7=4,2° К.

Помимо туннельных барьеров такого типа в качестве джозефсо­

Весьма интересный способ получения пары туннельных контак­ тов описал Кларк [21]. В.капельку Sn—Pb припоя (504-50%) размером 1—3 мм быстро погружают Nb проволоку толщиной от 50 до 100 мкм, обработанную в H F электролизом до образования чистой блестящей поверхности. При застывании капельки, кото­ рая не смачивает Nb проволоку, в точках выхода проволоки из ка­ пельки возникают два туннельных перехода.

•На рис. 29 показано устройство датчика для измерения маг­ нитного поля с использованием такой капельки [22].

Магнитное поле Н, нормальное к плоскости витка Nb проволо­ ки, создает в нем незатухающий ток /=<D /L=#a/L, который «считы-

123

бается» капельным туннельным образцом. На рис. 30 приведены функции £/ВыХ = U (Н) для такого образца.

Свойства туннельных барьеров проявляют также «точечные кон­ такты» [17], возникающие в месте соприкосновения остро зато­ ченной сверхпроводящей проволочки с поверхностью массивного сверхпроводника. Эти контакты поддаются регулировке простым изменением давления на контакт, однако их характеристики не

Ниооиевая

проволочная

петля

Рис. 29. Туннельный «капельный» кон­ такт Кларка и устройство датчика для измерения изменения магнитного поля Н

Др^о — толщина оксидной пленки; Л —

глубина проникания магнитного поля в сверхпроводник

отличаются высокой стабильностью, если не применять специаль­ ных «фиксирующих» цементов типа эпоксидной смолы для жест­ кого скрепления элементов, образующих контакт, или других специальных приемов.

Предельная чувствительность магнитных измерителей поля на основе аффекта Джозефсона ограничивается тепловыми флуктуа­

фактическая чувствительность также будет возрастать, поскольку с увеличением диаметра петли растет ее индуктивность L, т. е.

флуктуациями тока в такой системе. Поэтому увеличение диаметра петли свыше ~ 1 см практически не дает возможности наблюдать квантовую интерференцию. Вадшо подчеркнуть, что не обязательно стремиться повысить периодичность тока по полю Я, важно лишь получить необходимую крутизну (д/дН)ІІвыХ 'при до­ статочномалых критических токах барьеров (единицы микроампер).

Так, при крутизне ~ 1 лшз/10-0 э и предельной чувствительно­ сти прибора типа Ф118 около 5 - ІО-10 в предельная аппаратурная чувствительность будет примерно равна тепловой предельной чув­ ствительности джозефсоновского датчика, т. е. около 5 -ІО-10 э.

0 В настоящее время достигнута чувствительность 5-10~*°з (см. [43, 44]).

124

k магнитного потока, показывающий, во сколько раз напряжен­

диаметра, можно повысить его чувствительность к измеряемому полю Ну в /г paß.

Предельная чувствительность такой системы определяется кван­ товыми шумами в замкнутой сверхпроводящей цепи — трансфор­ маторе и, по-видимому, может составлять ІО-11—ІО-12 э.

§6. Некоторые применения квантовых магнитометров

Вэтом параграфе на нескольких примерах будут показаны воз­ можности использования квантовых матнитрметров в различных

областях техники и физических измерений.

1. Измерение слабых магнитных восприимчивостей ядерно-резонансными методами

Как известно, напряженность магнитного поля внутри образ­ ца зависит как от величины магнитной восприимчивости %образца, так и от его формы, и определяется соотношением

где Не — напряженность поля в отсутствие образца; Іт — намаг­ ниченность образца, равная %Нр, N — размагничивающий фактор.

125

Для тел эллипсоидальной формы (например, для эллипсоидов вращения) размагничивающий фактор имеет аналитическое выра­ жение. Так, для вытянутого эллипсоида вращения (к которому мо­ гут быть сведены такие, например, формы, как стержень) в случае намагничения вдоль большой оси размагничивающий фактор равен

Формулы для сплюснутого эллипсоида вращения (намагниче­ ние вдоль оси вращения) и для цилиндра, намагниченного перпен­ дикулярно оси, соответственно имеют вид:

Образцы любой другой, неэллипсоидальной формы, за исключени­ ем цилиндров с осью, параллельной полю, намагничиваются неод­ нородно.

Величина N для стержней равна ~(0,l-f-0,3) (для Л~10) и

Л1~10-5 (для Л ~104).

Итак, пусть имеется образец с восприимчивостью %, который помещен в среду, имеющую восприимчивость %и. Тогда для напря­

Если образец имеет форму вытянутого эллипсоида с большим Л (цилиндр), то для случая, когда поле Не параллельно оси цилинд­

ра, величина N = 0, в то время как для поля Не, перпендикуляр­

ного к оси, как уже отмечалось выше, Nx= 2я.

Поэтому разность величин Н і для этих двух случцев при на­ личии иглообразного образца в среде с восприимчивостью %и будет

откуда может быть найдена %и, если известна величина %, или на,- оборот. Проведя измерения в вакууме (%и=0), можно найти % для данного образца. Так, для х — Ю-в относительный сдвиг ча­ стоты я. м. р. равен — ІО-4, т. е. легко может быть измерен обыч­ ными методами. Таким образом, данный метод позволяет прсво-

126