Un SQUID ( dispositivo de interferencia cuántica superconductora ) es un magnetómetro muy sensible que se utiliza para medir campos magnéticos extremadamente débiles , basado en bucles superconductores que contienen uniones Josephson .
Los SQUID son lo suficientemente sensibles como 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. Magnetómetros atómicos SERF , inventados a principios de la década de 2000 son potencialmente más sensibles y no requieren refrigeración criogénica , pero tienen un tamaño mucho mayor (~1 cm 3 ) y deben funcionar en un campo magnético cercano a cero.
Hay dos tipos principales de SQUID: corriente continua (DC) y radiofrecuencia (RF). Los RF SQUID pueden funcionar con una sola unión Josephson ( unión de túnel superconductor ), lo que podría hacer que su producción sea más barata, pero son menos sensibles.
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 realizada 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 DC Josephson. En ausencia de cualquier campo magnético externo, la corriente de entrada se divide en dos ramas por igual. Si se aplica un pequeño campo magnético externo al bucle superconductor, una corriente de protección comienza a circular por el bucle que genera el campo magnético cancelando 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 pasa a ser 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.
Ahora supongamos que el flujo externo aumenta aún más hasta exceder la mitad del cuanto de flujo magnético . Dado que el flujo encerrado por el bucle superconductor debe ser un número entero de cuantos de flujo, en lugar de filtrar el flujo, SQUID ahora prefiere energéticamente aumentarlo a . La corriente ahora fluye en 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 0 , y nuevamente invierte la dirección a medida que aumenta aún más el campo externo. 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 medio múltiplo más entero de y en cero amperios cada múltiplo entero.
Si la corriente de entrada es superior a , entonces el SQUID siempre funciona en modo resistivo. La tensión, en este caso, es pues función del campo magnético aplicado y del período igual a . Dado que la característica corriente-voltaje del DC SQUID es histerética, se conecta una resistencia en derivación a través de la unión para eliminar la histéresis (en el caso de superconductores de alta temperatura a base de óxido de cobre , la propia resistencia intrínseca de la unión suele ser suficiente). La corriente de protección es el flujo aplicado dividido por la autoinductancia del anillo. Por lo tanto, se puede estimar como función de (convertidor de flujo a voltaje) [6] [7] de la siguiente manera:
La discusión en esta sección asumió una cuantificación de flujo perfecta en el bucle. Sin embargo, esto sólo es cierto para bucles grandes con una gran autoinductancia. Según las relaciones dadas anteriormente, esto implica también pequeñas variaciones de corriente y tensión. En la práctica, la autoinductancia del bucle no es tan grande. El caso general se puede evaluar introduciendo un parámetro.
¿ Dónde está la corriente crítica del SQUID? Generalmente es de orden uno. [8]
El RF SQUID fue inventado en 1965 por Robert Jaklevic, John J. Lambe, Arnold Silver y James Edward Zimmerman en Ford. [7] Se basa en el efecto AC Josephson y utiliza sólo una unión Josephson. Es menos sensible en comparación con DC SQUID 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 SQUIDS. [9] [10] El RF SQUID está acoplado inductivamente a un circuito de tanque resonante. [11] Dependiendo del campo magnético externo, a medida que el SQUID opera en modo resistivo, la inductancia efectiva del circuito del tanque cambia, cambiando así la frecuencia de resonancia del circuito del tanque. Estas mediciones de frecuencia se pueden tomar fácilmente y, por lo tanto, las pérdidas que aparecen como voltaje a través de la resistencia de carga en el circuito son una función periódica del flujo magnético aplicado con un período de . Para obtener una descripción matemática precisa, consulte el artículo original de Erné et al. [6] [12]
Los materiales superconductores tradicionales para los SQUID son 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 finales de los años 1980. [14] Están hechos de superconductores de alta temperatura , particularmente YBCO , y se enfrían con nitrógeno líquido , que es más barato y más fácil de manipular que el helio líquido. Son menos sensibles que los SQUID convencionales de baja temperatura, pero lo suficientemente buenos para muchas aplicaciones. [15]
En 2006, se mostró 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 100 nm y funcionan a 1K o menos. Estos sensores permiten contar los giros. [17]
En 2022, se construyó un SQUID con grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico (MATBG) [18] [19]
La extrema sensibilidad de los SQUID los hace ideales para estudios de 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 velocidades de adquisición mucho más altas que la frecuencia temporal más alta de interés en las señales emitidas por el cerebro (kHz), MEG logra una buena resolución temporal. Otro campo en el que se utilizan los CALAMAR es la magnetogastrografía , que se ocupa de registrar los débiles campos magnéticos 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 fármacos aplicados por vía oral. En el entorno clínico, los SQUID se utilizan en cardiología para obtener imágenes de campo magnético (MFI), que detecta el campo magnético del corazón para diagnóstico y estratificación de riesgos.
Probablemente el uso comercial más común de los SQUID sea en los sistemas de medición de propiedades magnéticas (MPMS). Se trata de sistemas llave en mano , fabricados por varios fabricantes, que miden las propiedades magnéticas de una muestra de material. Esto generalmente se hace en un rango de temperatura de 300 mK a aproximadamente 400 K. [20] Con el tamaño cada vez menor de los sensores SQUID desde la última década, dichos sensores pueden equipar la punta de una sonda AFM . Este dispositivo permite medir simultáneamente 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 (MRI). Mientras que la resonancia magnética de alto campo utiliza campos de precesión de uno a varios teslas, la resonancia magnética detectada por SQUID utiliza campos de medición que se encuentran en el rango de microtesla. En un sistema de resonancia magnética convencional, la señal escala como el cuadrado de la frecuencia de medición (y por lo tanto del campo de precesión): una potencia de frecuencia proviene de la polarización térmica de los espines a temperatura ambiente, mientras que la segunda potencia de campo proviene del hecho de que El voltaje inducido en la bobina captadora es proporcional a la frecuencia de la magnetización precesante. Sin embargo, en el caso de la detección SQUID no sintonizada de espines prepolarizados, la intensidad de la señal de RMN es independiente del campo de precesión, lo que permite la detección de señales de RMN en campos extremadamente débiles, del orden del campo magnético de la Tierra. La resonancia magnética detectada por SQUID tiene ventajas sobre los sistemas de resonancia magnética de alto campo, como el bajo costo requerido para construir un sistema de este tipo y su tamaño compacto. El principio ha sido demostrado mediante imágenes de las extremidades humanas, y su aplicación futura puede incluir la detección de tumores. [22]
Otra aplicación es el microscopio de barrido SQUID , que utiliza como sonda un SQUID sumergido en helio líquido. El uso de SQUID en prospección petrolera , exploración mineral , [23] predicción de terremotos y estudios de energía geotérmica se está generalizando a medida que se desarrolla la tecnología superconductora; 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 el efecto Casimir dinámico por primera vez. [25] [26]
Los SQUID construidos a partir de bucles de alambre de niobio superenfriados se utilizan como base para la computadora cuántica 2000Q de D-Wave Systems . [27]
Uno de los usos más importantes de los SQUID es leer sensores superconductores de borde de transición . Actualmente 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 espectroscopia en fuentes de luz de sincrotrón .
Los SQUIDS avanzados, llamados amplificadores SQUID casi cuánticos limitados, forman la base del Experimento Axion de Materia Oscura (ADMX) en la Universidad de Washington. Los axiones son los principales candidatos para la materia oscura fría . [28]
Existe una posible aplicación militar para su uso en la guerra antisubmarina como detector de anomalías magnéticas (MAD) instalado en aviones 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 ferromagnéticos. Después de la eliminación del campo magnetizante, las nanopartículas decaen de un estado ferromagnético a un estado paramagnético, con una constante de tiempo que depende del tamaño de las partículas y de si están unidas a una superficie externa. Para detectar y localizar las nanopartículas se utiliza la medición del campo magnético en decadencia mediante sensores SQUID. Las solicitudes de SPMR pueden incluir la detección de cáncer. [32]
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