Dispositivos Supercondutores

Dispositivos supercondutores, embora não sejam amplamente usados, têm algumas características exclusivas não disponíveis em dispositivos semicondutores padrão. Alta sensibilidade com respeito à amplificação de sinais elétricos, detecção de campos magnéticos e detecção de luz são aplicações valiosas. A comutação de alta velocidade também é possível, embora não se aplique a computadores no momento. Dispositivos supercondutores convencionais devem ser resfriados a alguns graus de 0 Kelvin (-273 ^o C). Porém, o trabalho está em andamento neste momento no supercondutor de alta temperatura dispositivos baseados, utilizáveis ​​a 90 K e abaixo. Isso é significativo porque nitrogênio líquido barato pode ser usado para resfriamento.

Dispositivos Supercondutores

Supercondutividade

Supercondutividade: Heike Onnes descobriu a supercondutividade em mercúrio (Hg) em 1911, pelo qual ganhou o prêmio Nobel. A maioria dos metais diminui a resistência elétrica com a diminuição da temperatura. Porém, a maioria não diminui para resistência zero conforme se aproxima de 0 Kelvin. Mercúrio é único em que sua resistência cai abruptamente para zero Ω a 4,2 K. Os supercondutores perdem toda a resistência abruptamente quando resfriados abaixo de sua temperatura crítica, T _c Uma propriedade da supercondutividade é nenhuma perda de potência nos condutores. A corrente pode fluir em um loop de fio supercondutor por milhares de anos. Os supercondutores incluem chumbo (Pb), alumínio, (Al), estanho (Sn) e nióbio (Nb).

Par Cooper

Par de Cooper: A condução sem perdas em supercondutores não ocorre pelo fluxo normal de elétrons. O fluxo de elétrons em condutores normais encontra oposição como colisões com a estrutura de cristal de metal iônico rígido. A diminuição das vibrações da estrutura cristalina com a diminuição da temperatura é responsável pela diminuição da resistência - até certo ponto. As vibrações da rede cessam no zero absoluto, mas não as colisões de elétrons de dissipação de energia com a rede. Assim, os condutores normais não perdem toda a resistência no zero absoluto.

Elétrons em supercondutores formam um par de elétrons chamado de par de cobre , conforme a temperatura cai abaixo da temperatura crítica na qual a supercondutividade começa. O par de cobre existe porque está em um nível de energia mais baixo do que os elétrons desemparelhados. Os elétrons são atraídos uns pelos outros devido à troca de fônons , partículas de energia muito baixa relacionadas a vibrações. Este par de cobre, entidade da mecânica quântica (partícula ou onda) não está sujeito às leis normais da física. Esta entidade se propaga através da rede sem encontrar os íons de metal que compõem a rede fixa. Assim, ele não dissipa energia. A natureza da mecânica quântica do par de cobre apenas permite que ele troque quantidades discretas de energia, não quantidades continuamente variáveis. Um quantum mínimo absoluto de energia é aceitável para o par de cobre. Se a energia vibracional da rede cristalina for menor (devido à baixa temperatura), o par de cobre não pode aceitá-la, não pode ser espalhado pela rede. Assim, sob a temperatura crítica, os pares de cobre fluem desimpedidos pela rede.

Junções e transistores Josephson

Cruzamentos Josephson: Brian Josephson ganhou um prêmio Nobel por sua previsão de 1962 da junção de Josepheson . Uma junção Josephson é um par de supercondutores interligados por um isolador fino, como na Figura abaixo (a), através do qual os elétrons podem criar um túnel. As primeiras junções Josephson eram supercondutores de chumbo interligados por um isolador. Hoje em dia, prefere-se uma camada tripla de alumínio e nióbio. Os elétrons podem criar um túnel através do isolador, mesmo com tensão zero aplicada nos supercondutores.

Se uma tensão for aplicada na junção, a corrente diminui e oscila em uma alta frequência proporcional à tensão. A relação entre a tensão aplicada e a frequência é tão precisa que o volt padrão agora é definido em termos da frequência de oscilação da junção Josephson. A junção Josephson também pode servir como um detector hipersensível de campos magnéticos de baixo nível. Também é muito sensível à radiação eletromagnética de microondas a raios gama.



(a) junção Josephson, (b) transistor Josephson.

Transistor Josephson: Um eletrodo próximo ao óxido da junção Josephson pode influenciar a junção por acoplamento capacitivo. Tal montagem na Figura acima (b) é um transistor Josephson. Uma característica importante do transistor Josephson é a baixa dissipação de energia aplicável a circuitos de alta densidade, por exemplo, computadores. Este transistor é geralmente parte de um dispositivo supercondutor mais complexo como um SQUID ou RSFQ.

Dispositivo supercondutor de interferência quântica (SQUID)

SQUID: Um dispositivo de interferência quântica supercondutor ou SQUID é um conjunto de junções Josephson dentro de um anel supercondutor. Apenas o DC SQUID é considerado nesta discussão. Este dispositivo é altamente sensível a campos magnéticos de baixo nível.

Uma polarização de corrente constante é forçada através do anel em paralelo com ambas as junções Josephson na Figura abaixo. A corrente se divide igualmente entre as duas junções na ausência de um campo magnético aplicado e nenhuma voltagem é desenvolvida através do anel. [JBc] Embora qualquer valor de fluxo magnético (Φ) possa ser aplicado ao SQUID, apenas um valor quantizado (um múltiplo dos quanta de fluxo) pode fluir através da abertura no anel supercondutor. [JBa] Se o fluxo aplicado não for um múltiplo exato dos quanta de fluxo, o fluxo em excesso é cancelado por uma corrente circulante ao redor do anel que produz um quanta de fluxo fracionário. A corrente circulante fluirá naquela direção que cancela qualquer excesso de fluxo acima de um múltiplo dos quanta de fluxo. Ele pode adicionar ou subtrair do fluxo aplicado até ± (1/2) quanta de fluxo. Se a corrente circulante flui no sentido horário, a corrente é adicionada à junção Josephson superior e subtraída da inferior. Alterar o fluxo aplicado linearmente faz com que a corrente circulante varie como uma senoide. [JBb] Isso pode ser medido como uma tensão no SQUID. Conforme o campo magnético aplicado é aumentado, um pulso de tensão pode ser contado para cada aumento por um quanta de fluxo. [HYP]



Dispositivo de interferência quântica supercondutor (SQUID):par de junções Josephson dentro de um anel supercondutor. Uma mudança no fluxo produz uma variação de voltagem no par JJ.

Diz-se que um SQUID é sensível a 10 ^-14 Tesla, pode detectar o campo magnético de correntes neurais no cérebro em 10 ^-13 Tesla. Compare isso com 30 x 10 ^-6 Força de Tesla do campo magnético da Terra.

Quantum de fluxo único rápido (RSFQ)

Quantum de fluxo único rápido (RSFQ): Em vez de imitar os circuitos semicondutores de silício, os circuitos RSFQ contam com novos conceitos:a quantização do fluxo magnético dentro de um supercondutor e o movimento dos quanta do fluxo produzem um pulso de tensão quantizado de picossegundos. O fluxo magnético só pode existir dentro de uma seção do supercondutor quantizado em múltiplos discretos. Os menores quanta de fluxo permitidos são empregados. Os pulsos são comutados por junções Josephson em vez de transistores convencionais. Os supercondutores são baseados em uma camada tripla de alumínio e nióbio com uma temperatura crítica de 9,5 K, resfriada a 5 K.

RSQFs operam a mais de 100 GHz com muito pouca dissipação de energia. A fabricação é simples com as técnicas fotolitográficas existentes. Porém, a operação requer refrigeração até 5 K. As aplicações comerciais do mundo real incluem conversores analógico para digital e digital para analógico, flip-flops de alternância, registradores de deslocamento, memória, somadores e multiplicadores. [DKB]

Supercondutores de alta temperatura

Supercondutores de alta temperatura: Supercondutores de alta temperatura são compostos que exibem supercondutividade acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido de 77 K. Isso é significativo porque o nitrogênio líquido está prontamente disponível e é barato. A maioria dos supercondutores convencionais são metais; supercondutores de alta temperatura amplamente usados ​​são cupratos , óxidos mistos de cobre (Cu), por exemplo YBa ₂ Cu ₃ O _7-x , temperatura crítica, T _c =90 K. Uma lista de outros está disponível. [OXFD] A maioria dos dispositivos descritos nesta seção estão sendo desenvolvidos em versões de supercondutores de alta temperatura para aplicações menos críticas. Embora não tenham o desempenho dos dispositivos supercondutores de metal convencionais, o resfriamento com nitrogênio líquido está mais disponível.

REVER:

• A maioria dos metais diminui a resistência à medida que se aproximam do zero absoluto; entretanto, a resistência não cai para 0. Supercondutores experimentam uma queda rápida para resistência zero em sua temperatura crítica ao serem resfriados. Normalmente T _c está dentro de 10 K de zero absoluto.
• Um par de Cooper, par de elétrons, uma entidade mecânica quântica, move-se desimpedido pela rede de cristal de metal.
• Os elétrons são capazes de criar um túnel através de uma junção Josephson, uma lacuna isolante em um par de supercondutores.
• A adição de um terceiro eletrodo, ou porta, perto da junção constitui um transistor Josephson.
• Um SQUID, dispositivo de interferência quântica supercondutor, é um detector de campos magnéticos altamente sensível. Ele conta unidades quânticas de um campo magnético dentro de um anel supercondutor.
• RSFQ, Rapid single flux quantum é um dispositivo de comutação de alta velocidade baseado na comutação dos quanta magnéticos existentes dentro de um loop supercondutor.
• Supercondutores de alta temperatura, T _c acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido, também pode ser usado para construir os dispositivos supercondutores nesta seção.