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超导器件
阅读:3359时间:2017-11-28 09:26:27

用超导体制成的固态电子器件。这类器件可完成电子技术中最基本的功能(如检测、放大、逻辑、存储等)。

简介

  在电磁频谱的端,可用于极高精度的电流比较仪、极低温度的测温技术、地磁与生物磁测量、引力波探测等。在频谱的中段(射频至微波),可用于功率和衰减的精密测量、超导稳频腔、快速瞬态信号波形的精密测量、模拟-数字变换器、逻辑与存储用集成电路等。超导器件的工作频率一直可延伸到毫米波、红外波段,并用于高灵敏度探测和接收、宽带频率综合、激光频率下的精密测量、基础研究等方面。超导器件的功耗低、集成度高,在灵敏度、精度、响应速率、分辨能力等方面一般比室温下的其他同类器件至少高1~2个数量级。
  超导器件的核心是超导隧道器件和超导量子干涉器件。

超导隧道器件

  1962年英国B.D.约瑟夫逊从理论上证明,当两块超导体之间存在弱耦合构成结时,库柏电子对可以穿越其间的势垒层而形成隧道电流。因而,通过结区可以流过一定的直流电流,而器件两端的电压降为零;若电流超过某一临界值(通常在10-3~10-6安的范围内),则器件两端呈现一定的电压降υ,流经结区的电流是高频振荡的形式,频率为2eυ/h(式中e为电子电荷,h为普朗克常数)。1963年上述结论为实验证实。这种现象称为约瑟夫逊效应,或电子对隧道效应。
  若结区两端的电压超过超导体能隙所对应的值,则电场能量足以拆散库柏电子对而形成准粒子。准粒子借助隧道效应通过势垒层的现象称为准粒子隧道效应。习惯上把电子对隧道效应和准粒子隧道效应合称超导隧道效应。利用这种原理制成的器件称为超导隧道器件,有时也称约瑟夫逊器件或约瑟夫逊结。上述器件按物理结构的不同,又可细分为隧道结、微桥结、点接解结等。

超导量子干涉器件

  ①直流SQUID:相当于采用超导环路将两个约瑟夫逊结并接起来,形成一种两端器件。在端电压降为零时,它所能通过的电流是穿过环路的磁通量的周期函数,周期φ0(等于2.07×10-15韦)称为磁通量子。由于φ0很小,这种周期性的关系为测量磁通提供了极其精密的分度。
  ②射频SQUID:在这种结构中单个约瑟夫逊结为超导环路所短接,并将环路与射频偏置的槽路耦合从而获得电压响应。根据环路的电感和结的临界电流,可将射频SQUID的工作情况区分为不同的模式。SQUID结构是精密电磁测量的基础。

可以制成的器件

  以超导隧道器件和SQUID为基本构件,可以制成检测、放大、逻辑、存储等器件。例如,将隧道结偏置在准粒子隧道效应伏安特性的非线性拐点附近,便成为检测器,响应率已接近量子极限(每输入一个光子即可产生一个电子)。目前研究工作集中于微波以上的频率,但音频下的响应率实际上与微波以上频率相同。在放大功能方面,SQUID放大器最接近于通常晶体管放大器的作用,并可提供噪声极低的功率增益。例如,将高灵敏度的直流SQUID与尺寸较大的但电感量极低的输入线圈紧耦合,利用输入信号对SQUID的临界电流作磁调制,便可达到这一目的。但放大器的带宽和动态范围等尚须改进。在逻辑功能方面,已采用超导器件制成与门、或门、非门。超导逻辑电路具有功率低、开关延迟时间小等优点。在超导环路中接入SQUID,利用环路捕获的磁通的量子化特性,可以制成随机存储器。这种存储器的特点是,不进行读出或写入时器件内部功耗为零,而且是“性”的存储,运转速度极高(见超导性的微波应用)。

超导超大型加速器

  超导超大型加速器(superconductingsupercollider,简称SSC)是一座圆形粒子加速器。美国原计划是在上世纪八十年代建在德克萨斯州,周长是87千米,在底下70米。它一共用了超过一万个超导电磁铁,是一座超大型的研究设施。粒子束的总能量为40TeV等能量的质子束对撞,预计将产生并可以观测到理论预测的希格斯玻色子。计划主持人为哈弗大学物理学家罗伊●施维特斯(RoySchwitters)

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