Dispositifs supraconducteurs

Les dispositifs supraconducteurs, bien que peu utilisés, ont des caractéristiques uniques qui ne sont pas disponibles dans les dispositifs à semi-conducteurs standard. Une sensibilité élevée en ce qui concerne l'amplification des signaux électriques, la détection des champs magnétiques et la détection de la lumière sont des applications prisées. La commutation à grande vitesse est également possible, bien qu'elle ne s'applique pas aux ordinateurs pour le moment. Les dispositifs supraconducteurs conventionnels doivent être refroidis à quelques degrés près de 0 Kelvin (-273 ^o C). Cependant, les travaux se poursuivent actuellement sur le supraconducteur à haute température appareils basés, utilisables à 90 K et moins. Ceci est important car de l'azote liquide peu coûteux peut être utilisé pour le refroidissement.

Dispositifs supraconducteurs

Supraconductivité

Supraconductivité : Heike Onnes a découvert la supraconductivité en mercure (Hg) en 1911, pour lequel il a remporté un prix Nobel. La plupart des métaux diminuent la résistance électrique lorsque la température diminue. Cependant, la plupart ne diminuent pas jusqu'à zéro résistance à mesure que 0 Kelvin est approché. Le mercure est unique en ce que sa résistance chute brusquement à zéro à 4,2 K. Les supraconducteurs perdent brusquement toute résistance lorsqu'ils sont refroidis en dessous de leur température critique, T _c Une propriété de la supraconductivité est l'absence de perte de puissance dans les conducteurs. Le courant peut circuler dans une boucle de fil supraconducteur pendant des milliers d'années. Les super conducteurs comprennent le plomb (Pb), l'aluminium (Al), l'étain (Sn) et le niobium (Nb).

Paire de Cooper

Paire de Cooper : La conduction sans perte dans les supraconducteurs ne se fait pas par un flux d'électrons ordinaire. Le flux d'électrons dans les conducteurs normaux rencontre une opposition sous forme de collisions avec le réseau cristallin métallique ionique rigide. La diminution des vibrations du réseau cristallin avec la diminution de la température explique la diminution de la résistance - jusqu'à un certain point. Les vibrations du réseau cessent au zéro absolu, mais pas les collisions dissipant l'énergie des électrons avec le réseau. Ainsi, les conducteurs normaux ne perdent pas toute résistance au zéro absolu.

Les électrons dans les supraconducteurs forment une paire d'électrons appelée paire de cuivre , lorsque la température descend en dessous de la température critique à laquelle commence la supraconductivité. La paire de cuivre existe car elle est à un niveau d'énergie inférieur à celui des électrons non appariés. Les électrons sont attirés les uns vers les autres en raison de l'échange de phonons , particules de très basse énergie liées aux vibrations. Cette paire de tonneliers, entité de mécanique quantique (particule ou onde) n'est pas soumise aux lois normales de la physique. Cette entité se propage à travers le réseau sans rencontrer les ions métalliques constituant le réseau fixe. Ainsi, il ne dissipe aucune énergie. La nature mécanique quantique de la paire de cuivre ne lui permet d'échanger que des quantités discrètes d'énergie, et non des quantités variables en continu. Un quantum minimum absolu d'énergie est acceptable pour la paire de tonneliers. Si l'énergie vibratoire du réseau cristallin est inférieure (en raison de la basse température), la paire de cuivre ne peut pas l'accepter, ne peut pas être diffusée par le réseau. Ainsi, sous la température critique, les paires de cuivre s'écoulent sans entrave à travers le réseau.

Josephson Junctions et Transistors

Josephson jonctions : Brian Josephson a remporté un prix Nobel pour sa prédiction en 1962 de la jonction Josephson . Une jonction Josephson est une paire de supraconducteurs pontés par un isolant mince, comme dans la figure ci-dessous (a), à travers lequel les électrons peuvent tunnel. Les premières jonctions Josephson étaient des supraconducteurs au plomb pontés par un isolant. De nos jours, une tricouche d'aluminium et de niobium est préférée. Les électrons peuvent traverser l'isolant même avec une tension nulle appliquée aux supraconducteurs.

Si une tension est appliquée aux bornes de la jonction, le courant diminue et oscille à une fréquence élevée proportionnelle à la tension. La relation entre la tension appliquée et la fréquence est si précise que le volt standard est maintenant défini en termes de fréquence d'oscillation de jonction Josephson. La jonction Josephson peut également servir de détecteur hypersensible de champs magnétiques de faible niveau. Il est également très sensible aux rayonnements électromagnétiques des micro-ondes aux rayons gamma.

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

Transistor Josephson : Une électrode proche de l'oxyde de la jonction Josephson peut influencer la jonction par couplage capacitif. Un tel montage sur la figure ci-dessus (b) est un transistor Josephson. Une caractéristique majeure du transistor Josephson est la faible dissipation de puissance applicable aux circuits à haute densité, par exemple les ordinateurs. Ce transistor fait généralement partie d'un dispositif supraconducteur plus complexe comme un SQUID ou un RSFQ.

Dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID)

CALMAR : Un Dispositif d'interférence quantique supraconducteur ou CALMAR est un assemblage de jonctions Josephson dans un anneau supraconducteur. Seul le DC SQUID est pris en compte dans cette discussion. Cet appareil est très sensible aux champs magnétiques de faible niveau.

Une polarisation de courant constant est forcée à travers l'anneau en parallèle avec les deux jonctions Josephson dans la figure ci-dessous. Le courant se divise également entre les deux jonctions en l'absence d'un champ magnétique appliqué et aucune tension n'est développée à travers l'anneau. [JBc] Alors que n'importe quelle valeur de flux magnétique (Φ) peut être appliquée au SQUID, seule une valeur quantifiée (un multiple des quanta de flux) peut s'écouler à travers l'ouverture dans l'anneau supraconducteur. [JBa] Si le flux appliqué n'est pas multiple exact des quanta de flux, l'excès de flux est annulé par un courant circulant autour de l'anneau qui produit un quanta de flux fractionnaire. Le courant circulant circulera dans cette direction qui annule tout excès de flux au-dessus d'un multiple des quanta de flux. Il peut soit ajouter soit soustraire du flux appliqué, jusqu'à ±(1/2) un quanta de flux. Si le courant circulant circule dans le sens des aiguilles d'une montre, le courant s'ajoute à la jonction Josephson supérieure et se soustrait à la jonction inférieure. La modification linéaire du flux appliqué fait varier le courant de circulation sous forme de sinusoïde. [JBb] Cela peut être mesuré comme une tension aux bornes du SQUID. Au fur et à mesure que le champ magnétique appliqué augmente, une impulsion de tension peut être comptée pour chaque augmentation d'un quanta de flux.[HYP]

Dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID) :paire de jonctions Josephson dans un anneau supraconducteur. Un changement de flux produit une variation de tension sur la paire JJ.

Un SQUID est dit sensible à 10 ^-14 Tesla, il peut détecter le champ magnétique des courants neuronaux dans le cerveau à 10 ^-13 Tesla. Comparez cela avec le 30 x 10 ^-6 Force Tesla du champ magnétique terrestre.

Quantique à flux unique rapide (RSFQ)

Quantum à flux unique rapide (RSFQ) : Plutôt que d'imiter des circuits semi-conducteurs en silicium, les circuits RSFQ reposent sur de nouveaux concepts :la quantification du flux magnétique dans un supraconducteur et le mouvement des quanta de flux produisent une impulsion de tension quantifiée en picosecondes. Le flux magnétique ne peut exister qu'à l'intérieur d'une section de supraconducteur quantifiée en multiples discrets. Le plus petit quanta de flux autorisé est utilisé. Les impulsions sont commutées par des jonctions Josephson au lieu de transistors conventionnels. Les supraconducteurs sont basés sur une triple couche d'aluminium et de niobium avec une température critique de 9,5 K, refroidie à 5 K.

Les RSQF fonctionnent à plus de 100 GHz avec très peu de dissipation de puissance. La fabrication est simple avec les techniques photolithographiques existantes. Cependant, le fonctionnement nécessite une réfrigération jusqu'à 5 K . Les applications commerciales du monde réel incluent les convertisseurs analogique-numérique et numérique-analogique, les bascules à bascule, les registres à décalage, la mémoire, les additionneurs et les multiplicateurs.[DKB]

Supraconducteurs à haute température

Supraconducteurs à haute température : Supraconducteurs à haute température sont des composés présentant une supraconductivité au-dessus du point d'ébullition de l'azote liquide de 77 K. Ceci est important car l'azote liquide est facilement disponible et peu coûteux. La plupart des supraconducteurs conventionnels sont des métaux; les supraconducteurs à haute température largement utilisés sont les cuprates , oxydes mixtes de cuivre (Cu), par exemple YBa₂ Cu₃ O_7-x , température critique, T_c =90 K. Une liste d'autres est disponible. [OXFD] La plupart des dispositifs décrits dans cette section sont développés dans des versions supraconductrices à haute température pour des applications moins critiques. Bien qu'ils n'aient pas les performances des dispositifs supraconducteurs métalliques conventionnels, le refroidissement à l'azote liquide est plus disponible.

AVIS :

• La plupart des métaux diminuent la résistance à mesure qu'ils approchent du 0 absolu ; cependant, la résistance ne tombe pas à 0. Les supraconducteurs subissent une chute rapide de la résistance à zéro à leur température critique lorsqu'ils sont refroidis. Typiquement T_c est à moins de 10 K du zéro absolu.
• Une paire de Cooper, une paire d'électrons, une entité de mécanique quantique, se déplace sans entrave à travers le réseau cristallin métallique.
• Les électrons sont capables de traverser une jonction Josephson, un espace isolant à travers une paire de supraconducteurs.
• L'ajout d'une troisième électrode, ou grille, près de la jonction constitue un transistor Josephson.
• Un SQUID, dispositif supraconducteur d'interférence quantique, est un détecteur très sensible de champs magnétiques. Il compte les unités quantiques d'un champ magnétique dans un anneau supraconducteur.
• RSFQ, Rapid single flux quantum est un dispositif de commutation à grande vitesse basé sur la commutation des quanta magnétiques existant dans une boucle supraconductrice.
• Supraconducteurs à haute température, T_c au-dessus du point d'ébullition de l'azote liquide, peut également être utilisé pour construire les dispositifs supraconducteurs de cette section.