Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля

За свое открытие Джозефсон был удостоен Нобелевской премии.

Напомним, что при прохождении через джозеф- соновский контакт тока, величина которого меньше критической, падение напряжения на переходе равно нулю. Если же величина тока превышает критическую, то на переходе возникает падение напряжения.

Значит, элемент Джозефсона имеет два устойчивых состояния: наличие и отсутствие напряжения.

В криотронах Джозефсона, созданных на основе слабой связи, время переключения равно сотым долям наносекунды, что в тысячу раз меньше, чем у пленочных криотронов. Энергия, затрачиваемая на единичное переключение, чрезвычайно мала. Чтобы выразить ее в долях джоуля, пришлось бы после запятой перед первой значащей цифрой написать семнадцать нулей.

Математики в таких случаях применяют сокращенную запись, используя отрицательную степень. Итак, энергия, затрачиваемая на единичное переключение криотрона Джозефсона, равна 10 -18джоулей! При этом на площади в один квадратный сантиметр могут быть размещены свыше тысячи элементов.

Все эти качества слабых сверхпроводников открывают прекрасные перспективы в области разработки новых поколений компьютеров, отличающихся компактностью и быстродействием.

В последнее время в руководствах и справочниках по измерительной технике все чаще можно встретить загадочное для непосвященных слово: сквид.

Что такое сквид?

Это название произошло из начальных букв английских слов SQID (Superconducting Quantum Interference Device), что в переводе на русский язык значит: сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство.

Сами квантовые свойства сверхпроводящего состояния были известны задолго до открытия эффекта Джозефсона.

Создание приборов, в которых используется это явление, оказалось возможным лишь после открытия слабой сверхпроводимости.

Представьте себе, что обычный сверхпроводящий контур, не содержащий туннельного контакта, находится во внешнем магнитном поле. При изменении внешнего магнитного потока сверхпроводящий ток в контуре изменяется так, чтобы магнитный поток, создаваемый этим током, компенсировал изменение внешнего магнитного потока. Таким образом, суммарный магнитный поток, пронизывающий площадь сверхпроводящего контура, все время остается постоянным. Изменить его, не переводя контур из сверхпроводящего в нормальное состояние, невозможно. Поэтому говорят, что магнитный поток «заморожен» в сверхпроводящем контуре.

Если же включить в сверхпроводящий контур контакт Джозефсона, то внешний магнитный поток использует это «слабое место» и будет внедряться в сверхпроводящий контур отдельными порциями — квантами.

При этом магнитный поток внутри сверхпроводящего контура изменяется скачкообразно на очень маленькую величину (напомним, что один квант магнитного потока равен двум десятимиллионным гаусса на квадратный сантиметр). Однако скорость изменения этого потока чрезвычайно велика. Ее можно измерить, например, по величине электродвижущей силы индукции, наведенной в специальной измерительной катушке.

Прибор, содержащий такой контур, очень тонко чувствует магнитное поле. Контакты Джозефсона включаются в контур параллельно. Происходит своеобразная интерференция сверхпроводящих токов, способствующая феноменально большому увеличению чувствительности прибора.

Сверхпроводящие квантовые интерференционные магнитометры способны измерять поля с точностью до 10^ 16тесла. Они значительно чувствительнее обычных магнитометров.

В геофизике сверхпроводящие магнитометры используются для исследования магнитного поля Земли. Геологам они оказывают неоценимую помощь при разведке месторождений полезных ископаемых. Они незаменимы, когда приходится вести научные исследования с очень слабыми магнитными полями.

Имеются данные, что магнитное поле вдоль линий разломов земной поверхности изменяется за несколько дней до начала землетрясения. Возможно, что сквиды будут использовать для предсказания землетрясений.

Прекрасным прибором для регистрации излучения в инфракрасной части спектра является сверхпроводящий болометр. Он содержит тонкую проволоку или фольгу из сверхпроводящего материала. Температура проволоки ниже критической. Вследствие поглощения излучения температура повышается и становится больше критической. Сверхпроводимость разрушается, и в проволоке скачком восстанавливается нормальное сопротивление. Возникающее при этом падение напряжения на проволоке измеряется с помощью потенциометра.

Резкость перехода в нормальное состояние делает сверхпроводящий болометр весьма чувствительным прибором. С его помощью удается измерять мощность до триллионных долей ватта. Такой прибор чувствует тепло, излучаемое пламенем свечи, находящейся на расстоянии в один километр!

Успехи в разработке сквидов, достигнутые за последние десятилетия, способствовали созданию новой области магнитных измерений, например биомагнетизма, изучающего слабые магнитные поля, возникающие в биологических объектах — и в первую очередь в человеческом организме.

Электрические методы измерений уже давно применяются в медицине для контроля работы сердца и других органов человека. Использование в этой области магнитных методов стало возможным, когда появился высокочувствительный детектор магнитного поля — сквид.

Преимущество магнитных методов измерения перед электрическими бесспорно. Для выполнения магнитных измерений не нужны контакты. С помощью магнитных методов можно изучать эффекты, которые при электрических измерениях искажаются в результате изменения потенциала в месте контакта электрода с кожей.

Магнитные поля возбуждаются токами, величина которых, как правило, больше во внутренних органах человека, чем в кожном покрове. Используя их, можно получить информацию о деятельности внутренних органов, не искаженную влиянием более слабых токов, протекающих в промежуточной области.

Существуют и другие измерительные приборы, основанные на сверхпроводимости.

Исследователи получили возможность изучать явления, до сих пор недоступные нашему восприятию из‑за недостаточной чувствительности существующих приборов.

«Наука начинается там, где начинают измерять», — писал выдающийся русский ученый Д. И. Менделеев.

Морская богиня Фетида, мать храбрейшего из героев Троянской войны — Ахиллеса, как повествует древнегреческий миф, допустила роковую оплошность.

Желая сделать сына бессмертным, она окунула его в священные воды Стикса. Однако пятка, за которую Фетида его держала, осталась уязвимой. Ахиллес погиб от стрелы Париса, поразившей его пятку. Отсюда выражение «ахиллесова пята» означает: уязвимое место.