Лекции 13,14 Явления в сверхпроводящем кольце, содержащем один Джозефсоновский переход. ВЧ-СКВИД

Вводные замечания Сверхпроводящее кольцо, в котором одна слабая связь. Обозначение: 2. Это главный элемент одноконтактного (или ВЧ) СКВИДа. 3. На таком кольце не возникает постоянного напряжения V, т.к. слабая связь всегда закорочена кольцом. 4. Но такое кольцо реагирует на переменный внешний сигнал

Напряжение на слабой связи Напряжение (естественно, переменное) на слабой связи может появиться лишь при изменении магнитного потока через кольцо: Но если на слабой связи есть напряжение, значит через нее течет ток. И выполнено Джозефсоновское соотношение

Напряжение на слабой связи Приравнивая (12.1) и (12.3) и интегрируя по времени, получим Еще раз напомню, что здесь Ф – полный поток через кольцо. Из (12.4) видно, что, например, при Ф=Ф 0 /4 величина = /2 и ток через переход j=j c sin =j c

Полный поток, охваченный кольцом одноконтактного интерферометра При изменении внешнего потока Ф е возникает экранирующий ток в кольце I э. Поэтому при L 0 имеется поток LI э (с=1), возникающий из-за индуктивности кольца. Ф=Ф е - LI э (12.5) Ф е =ВS, B-индукция (внешняя) поля, S-площадь кольца. Например, Ф=0 может быть при Ф е 0 (эффект Мейснера- Оксенфельда) Но этот ток I э проходит и через слабую связь. А мы знаем, что тогда он состоит из следующих компонент: I э = I c sin + V/R + CdV/dt + I f (12.6)

Полный поток, охваченный кольцом одноконтактного интерферометра Подставим I э в (12.5) и учтем (12.4). Получим Здесь Ф ш =LI f – шумовой поток, L – индуктивность кольца, C – емкость перехода, R – сопротивление перехода в N-состоянии. В квазистатическом приближении dФ/dt=d 2 Ф/dt 2 =0. И считаем Ф ш =0. Тогда и остается (12.7) без дополнительных членов

Полный поток, охваченный кольцом одноконтактного интерферометра При малых L I c (

Принцип работы ВЧ- СКВИДа Схема

Принцип работы ВЧ- СКВИДа Основной принцип работы ВЧ-СКВИДа (на примере гистерезисного) Пусть ток входной катушки равен нулю, т.е. Ф Т =0

Принцип работы ВЧ- СКВИДа Увеличим ток I контура К, пропорционально увеличится и амплитуда Ф е и соответственно Ф и V o. Т.е. мы имеем примерно линейную зависимость сигнала V o от I. Но так будет только до тех пор, пока увеличение тока I не приведет тому, что поток Ф е достигнет критической величины потока Ф ес. При этом: I L =Ф ес /М, I=Ф ес /МQ, где М-коэффициент взаимоиндукции, Q-добротность контура. В этот момент произойдет скачок полного потока. На графике Ф(Ф е ) изображающая точка опишет петлю гистерезиса, выделится тепло, пропорциональное площади петли

Принцип работы ВЧ- СКВИДа

Для этого процесса потребуется энергия. Она будет забрана из контура К. Это эквивалентно внесению в контур К доп. сопротивления (потерь). Контур выходит из резонанса, ток I L в нем резко уменьшается (и Ф е уже не достигает Ф ес ). И снова копится энергия. Ток достигает нужного значения, опять Ф е =Ф ес, опять удар и т.д

Принцип работы ВЧ- СКВИДа Если мы будем увеличивать ток от ВЧ-генератора, эти скачки будут только чаще (быстрее будет копиться энергия), но V o =V o1 =Const с ростом тока I. До каких пор? Пока энергия не будет успевать накапливаться за один период. После этого начнется дальнейший рост V o от I

Принцип работы ВЧ- СКВИДа

Опять остановка в росте V o и т.д. Т.е. вид ВАХ (ВАХ СКВИДа и есть эта зависимость V o от тока генератора I):

Принцип работы ВЧ- СКВИДа Дадим теперь ток через входную катушку СКВИДа. Т.е. Ф Т 0. Сделаем Ф Т =Ф о /2. Ясно, что теперь Ф ес будет достигнуто раньше, при I L =(Ф ес - Ф о /2)/М, т.е. плато начнется при V o =V o2

Принцип работы ВЧ- СКВИДа Вид ВАХ

Принцип работы ВЧ- СКВИДа Дадим некоторый рабочий ВЧ ток накачки I раб

Принцип работы ВЧ- СКВИДа «Треугольная» зависимость выходного напряжения V o колебательного контура от входного потока Ф Т СКВИДа

ВЧ-СКВИД в безгистерезисном режиме Идея: вид V o (I) отличается от рассмотренного для гистерезисного СКВИДа. Показано, что:

ВЧ-СКВИД в безгистерезисном режиме Если Ф меняется от 0 до Ф о /2, то V меняется от V 1 до V 2. Т.е. сигнальная характеристика будет: