CALAMAR

Tipo de magnetómetro

Elemento sensor de un calamar, 2008

Un SQUID ( dispositivo superconductor de interferencia cuántica ) es un magnetómetro muy sensible utilizado para medir campos magnéticos extremadamente débiles , basado en bucles superconductores que contienen uniones Josephson .

Los SQUID son lo suficientemente sensibles para medir campos tan bajos como 5×10 ⁻¹⁴ T con unos pocos días de mediciones promediadas. ^[1] Sus niveles de ruido son tan bajos como 3 f T· Hz ^{− 1 ⁄ 2} . ^[2] A modo de comparación, un imán de refrigerador típico produce 0,01 tesla (10 ⁻² T), y algunos procesos en animales producen campos magnéticos muy pequeños entre 10 ⁻⁹ T y 10 ⁻⁶ T. Los magnetómetros atómicos SERF , inventados a principios de la década de 2000, son potencialmente más sensibles y no requieren refrigeración criogénica , pero son órdenes de magnitud más grandes en tamaño (~1 cm ³ ) y deben operar en un campo magnético cercano a cero.

Historia y diseño

Existen dos tipos principales de SQUID: corriente continua (CC) y radiofrecuencia (RF). Los SQUID de RF pueden funcionar con una sola unión Josephson ( unión túnel superconductora ), lo que puede hacer que sean más baratos de producir, pero son menos sensibles.

CALAMAR DC

Diagrama de un SQUID de CC. La corriente entra y se divide en dos caminos, cada uno con corrientes y . Las delgadas barreras en cada camino son uniones Josephson, que juntas separan las dos regiones superconductoras. representa el flujo magnético que atraviesa el bucle del SQUID de CC. ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I_{a}}$ ${\displaystyle I_{b}}$ ${\displaystyle \Phi }$

Esquema eléctrico de un SQUID donde es la corriente de polarización, es la corriente crítica del SQUID, es el flujo que atraviesa el SQUID y es la respuesta de voltaje a ese flujo. Los símbolos X representan uniones Josephson . ${\displaystyle I_{b}}$ ${\displaystyle I_{0}}$ ${\displaystyle \Phi }$ ${\displaystyle V}$

Izquierda: gráfico de corriente frente a voltaje para un SQUID. Las curvas superior e inferior corresponden a y respectivamente. Derecha: respuesta periódica de voltaje debido al flujo a través de un SQUID. La periodicidad es igual a un quantum de flujo, . ${\displaystyle n\cdot \Phi _{0}}$ ${\displaystyle n+{\frac {1}{2}}\cdot \Phi _{0}}$ ${\displaystyle \Phi _{0}}$

El DC SQUID fue inventado en 1964 por Robert Jaklevic, John J. Lambe, James Mercereau y Arnold Silver de Ford Research Labs ^[3] después de que Brian Josephson postulara el efecto Josephson en 1962, y la primera unión Josephson fue hecha por John Rowell y Philip Anderson en Bell Labs en 1963. ^[4] Tiene dos uniones Josephson en paralelo en un bucle superconductor. Se basa en el efecto Josephson de CC. En ausencia de cualquier campo magnético externo, la corriente de entrada se divide en las dos ramas por igual. Si se aplica un pequeño campo magnético externo al bucle superconductor, una corriente de apantallamiento, , comienza a circular por el bucle que genera el campo magnético que cancela el flujo externo aplicado y crea una fase Josephson adicional que es proporcional a este flujo magnético externo. ^[5] La corriente inducida tiene la misma dirección que en una de las ramas del bucle superconductor y es opuesta a la de la otra rama; la corriente total se convierte en una rama y en la otra. Tan pronto como la corriente en cualquiera de las ramas excede la corriente crítica, , de la unión Josephson , aparece un voltaje a través de la unión. ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I_{s}}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I/2+I_{s}}$ ${\displaystyle I/2-I_{s}}$ ${\displaystyle I_{c}}$

Ahora supongamos que el flujo externo se incrementa aún más hasta que excede , la mitad del quantum de flujo magnético . Dado que el flujo encerrado por el bucle superconductor debe ser un número entero de quantum de flujo, en lugar de apantallar el flujo, el SQUID ahora prefiere energéticamente aumentarlo a . La corriente ahora fluye en la dirección opuesta, oponiéndose a la diferencia entre el flujo admitido y el campo externo de poco más de . La corriente disminuye a medida que aumenta el campo externo, es cero cuando el flujo es exactamente , y nuevamente invierte la dirección a medida que el campo externo aumenta aún más. Por lo tanto, la corriente cambia de dirección periódicamente, cada vez que el flujo aumenta en un múltiplo medio entero adicional de , con un cambio en el amperaje máximo cada múltiplo medio entero de y en cero amperios cada múltiplo entero. ${\displaystyle \Phi _{0}/2}$ ${\displaystyle \Phi _{0}}$ ${\displaystyle \Phi _{0}}$ ${\displaystyle \Phi _{0}/2}$ ${\displaystyle \Phi _{0}}$ ${\displaystyle \Phi _{0}}$ ${\displaystyle \Phi _{0}}$

Si la corriente de entrada es mayor que , entonces el SQUID siempre opera en modo resistivo. El voltaje, en este caso, es una función del campo magnético aplicado y el período es igual a . Dado que la característica de corriente-voltaje del SQUID de CC es histéresis, se conecta una resistencia de derivación a través de la unión para eliminar la histéresis (en el caso de superconductores de alta temperatura basados ​​en óxido de cobre, la resistencia intrínseca de la unión suele ser suficiente). La corriente de apantallamiento es el flujo aplicado dividido por la autoinductancia del anillo. Por lo tanto, se puede estimar como la función de (convertidor de flujo a voltaje) ^{[6] [7]} de la siguiente manera: ${\displaystyle I_{c}}$ ${\displaystyle \Phi _{0}}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle \Delta \Phi }$ ${\displaystyle \Delta V}$

${\displaystyle \Delta V=R\cdot \Delta I}$

${\displaystyle 2\cdot \Delta I=2\cdot {\frac {\Delta \Phi }{L}}}$, donde es la autoinducción del anillo superconductor ${\displaystyle L}$

${\displaystyle \Delta V={\frac {R}{L}}\cdot \Delta \Phi }$

En la discusión de esta sección se asumió una cuantificación perfecta del flujo en el bucle. Sin embargo, esto solo es cierto para bucles grandes con una gran autoinductancia. De acuerdo con las relaciones dadas anteriormente, esto implica también pequeñas variaciones de corriente y voltaje. En la práctica, la autoinductancia del bucle no es tan grande. El caso general se puede evaluar introduciendo un parámetro ${\displaystyle L}$

${\displaystyle \lambda ={\frac {i_{c}L}{\Phi _{0}}}}$

donde es la corriente crítica del SQUID. Generalmente es de orden uno. ^[8] ${\displaystyle i_{c}}$ ${\displaystyle \lambda }$

CALAMAR RF

Un prototipo de SQUID

El RF SQUID fue inventado en 1967 por Robert Jaklevic, John J. Lambe, Arnold Silver y James Edward Zimmerman en Ford. ^[7] Se basa en el efecto Josephson de CA y utiliza solo una unión Josephson. Es menos sensible en comparación con el SQUID de CC, pero es más barato y más fácil de fabricar en cantidades más pequeñas. La mayoría de las mediciones fundamentales en biomagnetismo , incluso de señales extremadamente pequeñas, se han realizado utilizando RF SQUID. ^{[9] [10]} El RF SQUID está acoplado inductivamente a un circuito de tanque resonante. ^[11] Dependiendo del campo magnético externo, como el SQUID opera en el modo resistivo, la inductancia efectiva del circuito del tanque cambia, cambiando así la frecuencia resonante del circuito del tanque. Estas mediciones de frecuencia se pueden tomar fácilmente y, por lo tanto, las pérdidas que aparecen como el voltaje a través de la resistencia de carga en el circuito son una función periódica del flujo magnético aplicado con un período de . Para una descripción matemática precisa, consulte el artículo original de Erné et al. ^{[6] [12]} ${\displaystyle \Phi _{0}}$

Materiales utilizados

Los materiales superconductores tradicionales para los SQUID son el niobio puro o una aleación de plomo con un 10 % de oro o indio , ya que el plomo puro es inestable cuando su temperatura cambia repetidamente. Para mantener la superconductividad, todo el dispositivo debe funcionar a unos pocos grados del cero absoluto , enfriado con helio líquido . ^[13]

Los sensores SQUID de alta temperatura se desarrollaron a fines de la década de 1980. ^[14] Están hechos de superconductores de alta temperatura , en particular YBCO , y se enfrían con nitrógeno líquido , que es más económico y más fácil de manipular que el helio líquido. Son menos sensibles que los SQUID de baja temperatura convencionales, pero lo suficientemente buenos para muchas aplicaciones. ^[15]

En 2006, se presentó una prueba de concepto para sensores CNT-SQUID construidos con un bucle de aluminio y una unión Josephson de nanotubos de carbono de pared simple. ^[16] Los sensores tienen un tamaño de unos pocos cientos de nm y funcionan a 1K o menos. Dichos sensores permiten contar espines. ^[17]

En 2022 se construyó un SQUID sobre grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico (MATBG) ^{[18] [19]}

Usos

El funcionamiento interno de uno de los primeros SQUID, alrededor de 1990

La extrema sensibilidad de los SQUID los hace ideales para estudios en biología. La magnetoencefalografía (MEG), por ejemplo, utiliza mediciones de una serie de SQUID para hacer inferencias sobre la actividad neuronal dentro del cerebro. Debido a que los SQUID pueden operar a tasas de adquisición mucho más altas que la frecuencia temporal más alta de interés en las señales emitidas por el cerebro (kHz), la MEG logra una buena resolución temporal. Otra área en la que se utilizan los SQUID es la magnetogastrografía , que se ocupa de registrar los campos magnéticos débiles del estómago. Una aplicación novedosa de los SQUID es el método de monitoreo de marcadores magnéticos , que se utiliza para rastrear la ruta de los medicamentos administrados por vía oral. En el entorno clínico, los SQUID se utilizan en cardiología para la obtención de imágenes de campo magnético (MFI), que detecta el campo magnético del corazón para el diagnóstico y la estratificación del riesgo.

Probablemente el uso comercial más común de los SQUID es en los sistemas de medición de propiedades magnéticas (MPMS). Se trata de sistemas listos para usar , fabricados por varios fabricantes, que miden las propiedades magnéticas de una muestra de material que normalmente tiene una temperatura entre 300 mK y 400 K. ^[20] Con la disminución del tamaño de los sensores SQUID desde la última década, este sensor puede equipar la punta de una sonda AFM . Este dispositivo permite la medición simultánea de la rugosidad de la superficie de una muestra y el flujo magnético local. ^[21]

Por ejemplo, los SQUID se están utilizando como detectores para realizar imágenes por resonancia magnética (IRM). Mientras que la IRM de alto campo utiliza campos de precesión de uno a varios teslas, la IRM detectada por SQUID utiliza campos de medición que se encuentran en el rango de los microteslas. En un sistema de IRM convencional, la señal se escala como el cuadrado de la frecuencia de medición (y, por lo tanto, el campo de precesión): una potencia de la frecuencia proviene de la polarización térmica de los espines a temperatura ambiente, mientras que la segunda potencia del campo proviene del hecho de que el voltaje inducido en la bobina de captación es proporcional a la frecuencia de la magnetización de precesión. Sin embargo, en el caso de la detección de espines prepolarizados por SQUID no sintonizado, la intensidad de la señal de RMN es independiente del campo de precesión, lo que permite la detección de señales de IRM en campos extremadamente débiles, del orden del campo magnético de la Tierra. La IRM detectada por SQUID tiene ventajas sobre los sistemas de IRM de alto campo, como el bajo costo requerido para construir un sistema de este tipo y su compacidad. El principio se ha demostrado mediante imágenes de extremidades humanas y su aplicación futura puede incluir la detección de tumores. ^[22]

Otra aplicación es el microscopio de barrido SQUID , que utiliza un SQUID sumergido en helio líquido como sonda. El uso de SQUID en la prospección de petróleo , la exploración minera , ^[23] la predicción de terremotos y la prospección de energía geotérmica se está extendiendo a medida que se desarrolla la tecnología de superconductores; también se utilizan como sensores de movimiento de precisión en una variedad de aplicaciones científicas, como la detección de ondas gravitacionales . ^[24] Un SQUID es el sensor en cada uno de los cuatro giroscopios empleados en Gravity Probe B para probar los límites de la teoría de la relatividad general . ^[1]

Se utilizó un RF SQUID modificado para observar por primera vez el efecto Casimir dinámico . ^{[25] [26]}

Los SQUID construidos a partir de bucles de alambre de niobio superenfriados se utilizan como base para la computadora cuántica D-Wave Systems 2000Q . ^[27]

Sensores de borde de transición

Uno de los usos más importantes de los SQUID es la lectura de sensores superconductores de borde de transición . En la actualidad, se están desplegando cientos de miles de SQUID multiplexados acoplados a sensores de borde de transición para estudiar el fondo cósmico de microondas , para la astronomía de rayos X , para buscar materia oscura formada por partículas masivas que interactúan débilmente y para la espectroscopia en fuentes de luz de sincrotrón .

Materia oscura fría

Los SQUIDS avanzados, llamados amplificadores SQUID casi cuánticos limitados, forman la base del Experimento de Materia Oscura Axiónica (ADMX) en la Universidad de Washington. Los axiones son un candidato principal para la materia oscura fría . ^[28]

Usos propuestos

Existe una posible aplicación militar para su uso en la guerra antisubmarina como detector de anomalías magnéticas (MAD) instalado en aeronaves de patrulla marítima . ^[29]

Los SQUID se utilizan en relaxometría superparamagnética (SPMR), una tecnología que utiliza la alta sensibilidad del campo magnético de los sensores SQUID y las propiedades superparamagnéticas de las nanopartículas de magnetita . ^{[30] [31]} Estas nanopartículas son paramagnéticas; no tienen momento magnético hasta que se exponen a un campo externo donde se vuelven ferromagnéticas. Después de la eliminación del campo magnetizante, las nanopartículas se desintegran de un estado ferromagnético a un estado paramagnético, con una constante de tiempo que depende del tamaño de la partícula y de si están unidas a una superficie externa. La medición del campo magnético en desintegración mediante sensores SQUID se utiliza para detectar y localizar las nanopartículas. Las aplicaciones para SPMR pueden incluir la detección del cáncer. ^[32]

Véase también

• Efecto Aharonov-Bohm
• Electromagnetismo
• Geofísica
• Fenómenos cuánticos macroscópicos

Notas

1. Ran, Shannon K'doah (2004). Gravity Probe B: Explorando el universo de Einstein con giroscopios (PDF) . NASA . p. 26. Archivado (PDF) desde el original el 16 de mayo de 2008.
2. D. Drung; C. Assmann; J. Beyer; A. Kirste; M. Peters; F. Ruede y Th. Schurig (2007). "Sensores SQUID de alta sensibilidad y fácil uso" (PDF) . IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 17 (2): 699–704. Bibcode :2007ITAS...17..699D. doi :10.1109/TASC.2007.897403. S2CID  19682964. Archivado desde el original (PDF) el 19 de julio de 2011.
3. RC Jaklevic; J. Lambe; AH Silver y JE Mercereau (1964). "Efectos de interferencia cuántica en el efecto túnel de Josephson". Physical Review Letters . 12 (7): 159–160. Código Bibliográfico :1964PhRvL..12..159J. doi :10.1103/PhysRevLett.12.159.
4. Anderson, P.; Rowell, J. (1963). "Probable observación del efecto túnel superconductor de Josephson". Physical Review Letters . 10 (6): 230–232. Código Bibliográfico :1963PhRvL..10..230A. doi :10.1103/PhysRevLett.10.230.
5. "Las Conferencias Feynman sobre Física Vol. III Cap. 21: La ecuación de Schrödinger en un contexto clásico: un seminario sobre superconductividad, sección 21-9: La unión Josephson". feynmanlectures.caltech.edu . Consultado el 8 de enero de 2020 .
6. E. du Trémolet de Lacheisserie, D. Gignoux y M. Schlenker (editores) (2005). Magnetismo: Materiales y Aplicaciones . vol. 2. Saltador. {{cite book}}: |author=tiene nombre genérico ( ayuda )Mantenimiento de CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
7. J. Clarke y AI Braginski (Eds.) (2004). El manual SQUID . Vol. 1. Wiley-Vch.
8. A.TH.AM de Waele y R. de Bruyn Ouboter (1969). "Fenómenos de interferencia cuántica en contactos puntuales entre dos superconductores". Physica . 41 (2): 225–254. Bibcode :1969Phy....41..225D. doi :10.1016/0031-8914(69)90116-5.
9. Romani, GL; Williamson, SJ; Kaufman, L. (1982). "Instrumentación biomagnética". Revista de instrumentos científicos . 53 (12): 1815–1845. Bibcode :1982RScI...53.1815R. doi :10.1063/1.1136907. PMID  6760371.
10. Sternickel, K.; Braginski, AI (2006). "Biomagnetismo utilizando SQUIDs: estado y perspectivas". Ciencia y tecnología de superconductores . 19 (3): S160. Código Bibliográfico :2006SuScT..19S.160S. doi :10.1088/0953-2048/19/3/024. S2CID  122140082.
11. Nisenoff, M.; Wolf, S. (1 de septiembre de 1975). "Observación de un término $cos\ensuremath{\varphi}$ en la relación corriente-fase para el enlace débil de tipo "Dayem" contenido en un dispositivo superconductor de interferencia cuántica polarizado por radiofrecuencia". Physical Review B . 12 (5): 1712–1714. doi :10.1103/PhysRevB.12.1712.
12. SN Erné; H.-D. Hahlbohm; H. Lübbig (1976). "Teoría del dispositivo de interferencia cuántica superconductor polarizado por radiofrecuencia para el régimen no histéresis". J. Appl. Phys . 47 (12): 5440–5442. Bibcode :1976JAP....47.5440E. doi : 10.1063/1.322574 .
13. Clarke, John (agosto de 1994). "SQUIDs". Scientific American . 271 (2): 46–53. Bibcode :1994SciAm.271b..46C. doi :10.1038/scientificamerican0894-46. JSTOR  24942801 . Consultado el 18 de agosto de 2022 .
14. MS Colclough, CE Gough et al, Operación SQUID por radiofrecuencia utilizando un superconductor cerámico de alta temperatura, Nature 328, 47 (1987)
15. LP Lee et al., Magnetómetro SQUID monolítico de 77 K CC, Applied Physics Letters 59, 3051 (1991)
16. Cleuziou, J.-P.; Wernsdorfer, W. (2006). "Dispositivo de interferencia cuántica superconductor de nanotubos de carbono". Nature Nanotechnology . 1 (octubre): 53–59. Bibcode :2006NatNa...1...53C. doi :10.1038/nnano.2006.54. PMID  18654142. S2CID  1942814.
17. Aprili, Marco (2006). "El nanoSQUID hace su debut". Nature Nanotechnology . 1 (octubre): 15–16. Bibcode :2006NatNa...1...15A. doi :10.1038/nnano.2006.78. PMID  18654132. S2CID  205441987.
18. Portolés, Elías; Iwakiri, Shuichi; Zheng, Julia; Rickhaus, Peter; Taniguchi, Takashi; Watanabe, Kenji; Ihn, Thomas; Ensslin, Klaus; de Vries, Folkert K. (24 de octubre de 2022). "Un CALAMAR monolítico sintonizable en grafeno bicapa retorcido". Nanotecnología de la naturaleza . 17 (11): 1159-1164. arXiv : 2201.13276 . Código bibliográfico : 2022NatNa..17.1159P. doi :10.1038/s41565-022-01222-0. ISSN  1748-3395. PMID  36280761. S2CID  246430218.
19. "Un nuevo componente cuántico elaborado a partir de grafeno". ethz.ch . 3 de noviembre de 2022 . Consultado el 15 de noviembre de 2022 .
20. Kleiner, R.; Koelle, D.; Ludwig, F.; Clarke, J. (2004). "Dispositivos superconductores de interferencia cuántica: estado del arte y aplicaciones". Actas del IEEE . 92 (10): 1534–1548. doi :10.1109/JPROC.2004.833655. S2CID  20573644.
21. "Microscopie à microsquid - Institut NÉEL". neel.cnrs.fr.​
22. Clarke, J.; Lee, AT; Mück, M.; Richards, PL "Capítulo 8.3". Resonancia magnética nuclear y cuadrupolo e imágenes por resonancia magnética . págs. 56–81.en Clarke y Braginski 2006
23. P. Schmidt; D. Clark; K. Leslie; M. Bick; D. Tilbrook y C. Foley (2004). "GETMAG: un gradiómetro tensor magnético SQUID para la exploración de minerales y petróleo". Exploration Geophysics . 35 (4): 297–305. doi :10.1071/eg04297. S2CID  14994533.
24. Paik, Ho J. "Capítulo 15.2". "Transductor superconductor para detectores de ondas gravitacionales" en [volumen 2 de] "El manual SQUID: aplicaciones de SQUID y sistemas SQUID" . págs. 548–554.en Clarke y Braginski 2006
25. "Primera observación del efecto Casimir dinámico". Technology Review .
26. Wilson, CM (2011). "Observación del efecto Casimir dinámico en un circuito superconductor". Nature . 479 (7373): 376–379. arXiv : 1105.4714 . Bibcode :2011Natur.479..376W. doi :10.1038/nature10561. PMID  22094697. S2CID  219735.
27. "Not Magic Quantum" (PDF) . Lanl.gov . Julio de 2016. Archivado (PDF) del original el 29 de julio de 2016 . Consultado el 26 de octubre de 2021 .
28. Búsqueda de axiones en cavidades de microondas basada en calamares por ADMX; SJ Sztalos, G Carlos, C Hagman, D Kinion, K van Bibber, M Hotz, L Rosenberg, G Rybka, J Hoskins, J Hwang, P Sikivie, DB Tanner, R Bradley, J Clarke; Phys.Rev.Lett. 104:041301; 2010
29. Ouellette, Jennifer. "Los sensores SQUID penetran en nuevos mercados" (PDF) . The Industrial Physicist. p. 22. Archivado desde el original (PDF) el 18 de mayo de 2008.
30. Flynn, ER; Bryant, HC (2005). "Un sistema biomagnético para la obtención de imágenes de cáncer in vivo". Física en Medicina y Biología . 50 (6): 1273–1293. Bibcode :2005PMB....50.1273F. doi :10.1088/0031-9155/50/6/016. PMC 2041897 . PMID  15798322. 
31. De Haro, Leyma P.; Karaulanov, Todor; Vreeland, Erika C.; Anderson, Bill; Hathaway, Helen J.; Huber, Dale L.; Matlashov, Andrei N.; Nettles, Christopher P.; Price, Andrew D. (1 de octubre de 2015). "Relaxometría magnética aplicada a la detección y localización sensible del cáncer". Ingeniería biomédica / Técnica biomédica . 60 (5): 445–455. doi : 10.1515/bmt-2015-0053 . ISSN  1862-278X. OSTI  1227725. PMID  26035107. S2CID  13867059.
32. Hathaway, Helen J.; Butler, Kimberly S.; Adolphi, Natalie L.; Lovato, Debbie M.; Belfon, Robert; Fegan, Danielle; Monson, Todd C.; Trujillo, Jason E.; Tessier, Trace E. (1 de enero de 2011). "Detección de células de cáncer de mama utilizando nanopartículas magnéticas dirigidas y sensores de campo magnético ultrasensibles". Investigación sobre el cáncer de mama . 13 (5): R108. doi : 10.1186/bcr3050 . ISSN  1465-542X. PMC 3262221 . PMID  22035507. 

Referencias

• Clarke, John; Braginski, Alex I., eds. (2006). Manual de SQUID: aplicaciones de SQUID y sistemas SQUID . Vol. 2. Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40408-7.