2.13: Dispositivos Superconductores

Superconductividad: Heike Onnes descubrió la superconductividad en mercurio (Hg) en 1911, por lo que ganó un premio Nobel. La mayoría de los metales disminuyen la resistencia eléctrica al disminuir la temperatura. Sin embargo, la mayoría no disminuye a cero resistencia a medida que se acerca a 0 Kelvin. El mercurio es único en que su resistencia cae abruptamente a cero Ω a 4.2 K. Los superconductores pierden toda la resistencia abruptamente cuando se enfrían por debajo de su temperatura crítica, T _c Una propiedad de superconductividad no es ninguna pérdida de potencia en los conductores. La corriente puede fluir en un bucle de alambre superconductor durante miles de años. Los superconductores incluyen plomo (Pb), aluminio, (Al), estaño (Sn) y niobio (Nb).

Par Cooper: La conducción sin pérdidas en superconductores no es por flujo de electrones ordinario. El flujo de electrones en conductores normales encuentra oposición como colisiones con la red cristalina metálica iónica rígida. La disminución de las vibraciones de la red cristalina con la disminución de la temperatura explica la disminución de la resistencia, hasta cierto punto. Las vibraciones de celosía cesan en cero absoluto, pero no las colisiones de electrones que disipan energía con la red. Por lo tanto, los conductores normales no pierden toda la resistencia a cero absoluto.

Los electrones en los superconductores forman un par de electrones llamado par de cobre, ya que la temperatura cae por debajo de la temperatura crítica a la que comienza la superconductividad. El par de cobre existe porque está a un nivel de energía más bajo que los electrones desapareados. Los electrones son atraídos entre sí debido al intercambio de fonones, partículas de muy baja energía relacionadas con las vibraciones. Este par de cobre, entidad mecánica cuántica (partícula u onda) no está sujeta a las leyes normales de la física. Esta entidad se propaga a través de la red sin encontrar los iones metálicos que comprenden la red fija. Así, no disipa energía. La naturaleza mecánica cuántica del par de cobre solo le permite intercambiar cantidades discretas de energía, no cantidades continuamente variables. Un mínimo absoluto de energía es aceptable para el par de cobre. Si la energía vibratoria de la red cristalina es menor, (debido a la baja temperatura), el par de cobre no puede aceptarla, no puede ser dispersada por la celosía. Así, bajo la temperatura crítica, los pares de cobre fluyen sin obstáculos a través de la celosía

Junciones Josephson: Brian Josephson ganó un premio Nobel por su predicción de 1962 del cruce Josepheson. Una unión Josephson es un par de superconductores puenteados por un delgado aislante, como en la Figura siguiente (a), a través del cual los electrones pueden hacer un túnel. Las primeras uniones Josephson fueron superconductores de plomo puenteados por un aislante. En estos días se prefiere una triple capa de aluminio y niobio. Los electrones pueden atravesar el aislador incluso con voltaje cero aplicado a través de los superconductores.

Si se aplica un voltaje a través de la unión, la corriente disminuye y oscila a una alta frecuencia proporcional al voltaje. La relación entre el voltaje aplicado y la frecuencia es tan precisa que el voltaje estándar ahora se define en términos de frecuencia de oscilación de la unión Josephson. La unión Josephson también puede servir como detector hipersensible de campos magnéticos de bajo nivel. También es muy sensible a la radiación electromagnética de microondas a rayos gamma.

(a) Unión Josephson, (b) Transistor Josephson.

Transistor Josephson: Un electrodo cercano al óxido de la unión Josephson puede influir en la unión por acoplamiento capacitivo. Tal conjunto en la Figura anterior (b) es un transistor Josephson. Una característica importante del transistor Josephson es la baja disipación de potencia aplicable a circuitos de alta densidad, por ejemplo, computadoras. Este transistor es generalmente parte de un dispositivo superconductor más complejo como un SQUID o RSFQ.

SQUID: Un dispositivo superconductor de interferencia cuántica o SQUID es un conjunto de uniones Josephson dentro de un anillo superconductor. En esta discusión solo se considera el DC SQUID. Este dispositivo es altamente sensible a campos magnéticos de bajo nivel.

Se fuerza una polarización de corriente constante a través del anillo en paralelo con ambas uniones Josephson en la Figura siguiente. La corriente se divide por igual entre las dos uniones en ausencia de un campo magnético aplicado y no se desarrolla voltaje a través del anillo. [JbC] Si bien cualquier valor de flujo magnético (Φ) se puede aplicar al SQUID, solo un valor cuantificado (un múltiplo de los cuantos de flujo) puede fluir a través de la abertura en el anillo superconductor.Si el flujo aplicado no es un múltiplo exacto de los cuantos de flujo, el exceso de flujo es cancelado por una corriente circulante alrededor del anillo que produce un flujo fraccional quanta. La corriente circulante fluirá en esa dirección que cancela cualquier exceso de flujo por encima de un múltiplo de los cuantos de flujo. Puede sumar o restar del flujo aplicado, hasta ± (1/2) un quanta de flujo. Si la corriente circulante fluye en sentido horario, la corriente se suma al cruce Josepheson superior y resta del inferior. Cambiar el flujo aplicado linealmente hace que la corriente circulante varíe como un sinusoide.Esto se puede medir como un voltaje a través del SQUID. A medida que se incrementa el campo magnético aplicado, se puede contar un pulso de voltaje para cada aumento en unos cuantos de flujo.

Dispositivo de interferencia cuántica de superconducción (SQUID): par de uniones Josephson dentro de un anillo superconductor. Un cambio en el flujo produce una variación de voltaje a través del par JJ.

Se dice que un SQUID es sensible a ^10-14 Tesla, Puede detectar el campo magnético de las corrientes neuronales en el cerebro a ^10-13 Tesla. Compare esto con la fuerza de 30 x 10 ^-6 Tesla del campo magnético de la Tierra.

Quantum rápido de flujo único (RSFQ): En lugar de imitar circuitos semiconductores de silicio, los circuitos RSFQ se basan en nuevos conceptos: la cuantificación del flujo magnético dentro de un superconductor y el movimiento de los cuantos de flujo produce un pulso de voltaje cuantificado de picosegundos. El flujo magnético solo puede existir dentro de una sección de superconductor cuantificada en múltiplos discretos. Se emplean los cuantos de flujo más bajos permitidos. Los pulsos son conmutados por uniones Josephson en lugar de transistores convencionales. Los superconductores se basan en una triple capa de aluminio y niobio con una temperatura crítica de 9.5 K, enfriada a 5 K.

Los RSQF operan a más de 100 GHz con muy poca disipación de energía. La fabricación es sencilla con las técnicas fotolitográficas existentes. Sin embargo, la operación requiere refrigeración de hasta 5 K. Las aplicaciones comerciales del mundo real incluyen convertidores analógico-digital y digital a analógico, flip-flops de palanca, registros de cambio, memoria, sumadores y multiplicadores.

Superconductores de alta temperatura: Los superconductores de alta temperatura son compuestos que exhiben superconductividad por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido de 77 K. Esto es significativo porque el nitrógeno líquido está fácilmente disponible y es económico. La mayoría de los superconductores convencionales son metales; los superconductores de alta temperatura ampliamente utilizados son cupratos, óxidos mixtos de cobre (Cu), por ejemplo YBa ₂ Cu ₃ O _7-x, temperatura crítica, T _c = 90 K. Una lista de otros está disponible.La mayoría de los dispositivos descritos en esta sección se están desarrollando en versiones de superconductores de alta temperatura para aplicaciones menos críticas. Aunque no tienen el rendimiento de los dispositivos superconductores metálicos convencionales, el enfriamiento con nitrógeno líquido está más disponible.

Revisar

• La mayoría de los metales disminuyen la resistencia a medida que se acercan al 0 absoluto; sin embargo, la resistencia no cae a 0. Los superconductores experimentan una caída rápida a la resistencia cero a su temperatura crítica al enfriarse. Típicamente T _c está dentro de 10 K de cero absoluto.
• Un par Cooper, un par de electrones, una entidad mecánica cuántica, se mueve sin obstáculos a través de la red cristalina metálica.
• Los electrones son capaces de hacer un túnel a través de una unión Josephson, un espacio aislante a través de un par de superconductores.
• La adición de un tercer electrodo, o puerta, cerca de la unión constituye un transistor Josephson.
• Un SQUID, dispositivo de interferencia cuántica de superconducción, es un detector de campos magnéticos altamente sensible. Cuenta unidades cuánticas de un campo magnético dentro de un anillo superconductor.
• RSFQ, Quantum de flujo único rápido es un dispositivo de conmutación de alta velocidad basado en la conmutación de los cuantos magnéticos existentes dentro de un bucle superconductor.
• Los superconductores de alta temperatura, T _c por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido, también se pueden usar para construir los dispositivos superconductores en esta sección.