Dispositivos superconductores

Los dispositivos superconductores, aunque no se utilizan ampliamente, tienen algunas características únicas que no están disponibles en los dispositivos semiconductores estándar. La alta sensibilidad con respecto a la amplificación de señales eléctricas, la detección de campos magnéticos y la detección de luz son aplicaciones muy apreciadas. La conmutación de alta velocidad también es posible, aunque no se aplica a las computadoras en este momento. Los dispositivos superconductores convencionales deben enfriarse a unos pocos grados de 0 Kelvin (-273 ^o C). Sin embargo, se está trabajando en este momento en el superconductor de alta temperatura dispositivos basados, utilizables a 90 K y menos. Esto es importante porque se puede usar nitrógeno líquido económico para enfriar.

Dispositivos superconductores

Superconductividad

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 cuando se acerca a 0 Kelvin. El mercurio es único porque 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 la superconductividad es la ausencia de pérdida de potencia en los conductores. La corriente puede fluir en un bucle de cable superconductor durante miles de años. Los superconductores incluyen plomo (Pb), aluminio, (Al), estaño (Sn) y niobio (Nb).

Pareja Cooper

Pareja de Cooper: La conducción sin pérdidas en los superconductores no se debe al flujo de electrones ordinario. El flujo de electrones en los conductores normales encuentra oposición como colisiones con la retícula de cristal de metal iónico rígido. 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 la celosía cesan en el cero absoluto, pero no la energía que disipa las colisiones de los electrones con la celosía. Por lo tanto, los conductores normales no pierden toda la resistencia en el cero absoluto.

Los electrones en los superconductores forman un par de electrones llamado par de cobre , a medida que la temperatura desciende por debajo de la temperatura crítica a la que comienza la superconductividad. El par de cobre existe porque tiene un nivel de energía más bajo que los electrones no apareados. Los electrones se atraen entre sí debido al intercambio de fonones , partículas de muy baja energía relacionadas con 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 componen la red fija. Por lo tanto, no disipa energía. La naturaleza mecánica cuántica del par de cobre solo le permite intercambiar cantidades discretas de energía, no cantidades continuamente variables. Un cuanto mínimo absoluto de energía es aceptable para la pareja de cobre. Si la energía vibratoria de la red cristalina es menor (debido a la baja temperatura), la pareja de cobre no puede aceptarla, no puede ser dispersada por la red. Por lo tanto, bajo la temperatura crítica, los pares de cobre fluyen sin obstáculos a través de la red.

Uniones y transistores Josephson

Cruces de Josephson: Brian Josephson ganó un premio Nobel por su predicción de 1962 del cruce de Josepheson . Una unión de Josephson es un par de superconductores puenteados por un aislante delgado, como en la Figura siguiente (a), a través del cual los electrones pueden hacer un túnel. Las primeras uniones de Josephson fueron superconductores de plomo puenteados por un aislante. En la actualidad, se prefiere una triple capa de aluminio y niobio. Los electrones pueden hacer un túnel a través del aislante incluso con un 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 frecuencia alta proporcional al voltaje. La relación entre el voltaje y la frecuencia aplicados es tan precisa que el voltio estándar ahora se define en términos de la frecuencia de oscilación de la unión Josephson. La unión de Josephson también puede servir como un detector hipersensible de campos magnéticos de bajo nivel. También es muy sensible a la radiación electromagnética de las microondas a los rayos gamma.

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

Transistor Josephson: Un electrodo cerca del óxido de la unión de Josephson puede influir en la unión mediante un acoplamiento capacitivo. Tal conjunto en la Figura anterior (b) es un transistor Josephson. Una característica importante del transistor Josephson es la baja disipación de energía 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.

Dispositivo de interferencia cuántica superconductora (SQUID)

CALAMAR: Un dispositivo de interferencia cuántica superconductor o CALAMAR es un conjunto de uniones de Josephson dentro de un anillo superconductor. Solo el DC SQUID se considera en esta discusión. Este dispositivo es muy sensible a los 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 se puede aplicar cualquier valor de flujo magnético (Φ) al SQUID, solo un valor cuantificado (un múltiplo de los cuantos de flujo) puede fluir a través de la abertura en el anillo superconductor. [JBa] 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 cuanto de flujo fraccionario. La corriente circulante fluirá en esa dirección, lo que cancela cualquier exceso de flujo por encima de un múltiplo de los cuantos de flujo. Puede agregar o restar del flujo aplicado, hasta ± (1/2) un cuanto de flujo. Si la corriente circulante fluye en el sentido de las agujas del reloj, la corriente se suma a la unión Josephson superior y resta a la inferior. Cambiar el flujo aplicado linealmente hace que la corriente circulante varíe como una sinusoide. [JBb] Esto se puede medir como un voltaje a través del SQUID. A medida que aumenta el campo magnético aplicado, se puede contar un pulso de voltaje por cada aumento en un cuantos de flujo. [HYP]

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

Se dice que un CALAMAR 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 30 x 10 ^-6 Fuerza de Tesla del campo magnético de la Tierra.

Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)

Quantum de flujo único rápido (RSFQ): En lugar de imitar los 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 producen un pulso de voltaje cuantificado de picosegundos. El flujo magnético solo puede existir dentro de una sección de superconductor cuantificado 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 funcionan a más de 100 GHz con muy poca disipación de energía. La fabricación es sencilla con las técnicas fotolitográficas existentes. Sin embargo, el funcionamiento requiere refrigeración hasta 5 K. Las aplicaciones comerciales del mundo real incluyen convertidores de analógico a digital y de digital a analógico, flip-flops de alternancia, registros de desplazamiento, memoria, sumadores y multiplicadores. [DKB]

Superconductores de alta temperatura

Superconductores de alta temperatura: 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. Hay disponible una lista de otros. [OXFD] 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 de metal 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 cero resistencia a su temperatura crítica al enfriarse. Normalmente T _c está dentro de los 10 K del cero absoluto.
• Un par de Cooper, un par de electrones, una entidad de la mecánica cuántica, se mueve sin obstáculos a través de la red de cristal metálico.
• Los electrones pueden 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 superconductor de interferencia cuántica, es un detector de campos magnéticos altamente sensible. Cuenta las 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.
• Superconductores de alta temperatura, T _c por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido, también se puede utilizar para construir los dispositivos superconductores en esta sección.