Supraleitende Bauelemente

Supraleitende Bauelemente haben, obwohl sie nicht weit verbreitet sind, einige einzigartige Eigenschaften, die in Standard-Halbleiterbauelementen nicht verfügbar sind. Hohe Empfindlichkeit in Bezug auf die Verstärkung elektrischer Signale, die Detektion von Magnetfeldern und die Detektion von Licht sind geschätzte Anwendungen. High-Speed-Switching ist ebenfalls möglich, wird jedoch derzeit nicht auf Computer angewendet. Herkömmliche supraleitende Geräte müssen bis auf wenige Grad 0 Kelvin (-273 ^o C). Derzeit wird jedoch am Hochtemperatur-Supraleiter gearbeitet basierte Geräte, verwendbar bei 90 K und darunter. Dies ist von Bedeutung, da zum Kühlen kostengünstiger flüssiger Stickstoff verwendet werden kann.

Supraleitende Bauelemente

Supraleitung

Supraleitung: Heike Onnes entdeckte die Supraleitung in Quecksilber (Hg) im Jahr 1911, wofür er den Nobelpreis erhielt. Die meisten Metalle verringern den elektrischen Widerstand mit abnehmender Temperatur. Die meisten gehen jedoch nicht auf Null zurück, wenn sich 0 Kelvin nähern. Quecksilber ist insofern einzigartig, als sein Widerstand bei 4,2 K abrupt auf null Ω abfällt. Supraleiter verlieren abrupt jeglichen Widerstand, wenn sie unter ihre kritische Temperatur T . abgekühlt werden _c Eine Eigenschaft der Supraleitung ist keine Verlustleistung in Leitern. In einer Schleife aus supraleitendem Draht kann über Tausende von Jahren Strom fließen. Zu den Supraleitern gehören Blei (Pb), Aluminium (Al), Zinn (Sn) und Niob (Nb).

Cooper-Paar

Cooper-Paar: Die verlustfreie Leitung in Supraleitern erfolgt nicht durch gewöhnlichen Elektronenfluss. Der Elektronenfluss in normalen Leitern stößt auf Widerstand als Kollision mit dem starren ionischen Metallkristallgitter. Abnehmende Schwingungen des Kristallgitters mit abnehmender Temperatur tragen zu einem abnehmenden Widerstand bei – bis zu einem gewissen Punkt. Gitterschwingungen hören beim absoluten Nullpunkt auf, aber nicht die energiezerstreuenden Stöße von Elektronen mit dem Gitter. Daher verlieren normale Leiter beim absoluten Nullpunkt nicht den gesamten Widerstand.

Elektronen in Supraleitern bilden ein Elektronenpaar, das als Kupferpaar bezeichnet wird , wenn die Temperatur unter die kritische Temperatur fällt, bei der die Supraleitung beginnt. Das Kupferpaar existiert, weil es ein niedrigeres Energieniveau hat als ungepaarte Elektronen. Die Elektronen werden durch den Austausch von Phononen voneinander angezogen , sehr niederenergetische Teilchen im Zusammenhang mit Schwingungen. Dieses Kupferpaar, eine quantenmechanische Einheit (Teilchen oder Welle) unterliegt nicht den normalen Gesetzen der Physik. Diese Einheit breitet sich durch das Gitter aus, ohne auf die Metallionen zu treffen, die das feste Gitter umfassen. Dadurch wird keine Energie verbraucht. Die quantenmechanische Natur des Kupferpaares erlaubt es nur diskrete Energiemengen auszutauschen, nicht kontinuierlich variable Mengen. Ein absolutes minimales Energiequantum ist für das Kupferpaar akzeptabel. Wenn die Schwingungsenergie des Kristallgitters geringer ist (aufgrund der niedrigen Temperatur), kann das Kupferpaar diese nicht aufnehmen, kann nicht am Gitter gestreut werden. Somit fließen die Kupferpaare unter der kritischen Temperatur ungehindert durch das Gitter.

Josephson-Übergänge und Transistoren

Josephson-Kreuzung: Brian Josephson erhielt einen Nobelpreis für seine Vorhersage der Josepheson-Kreuzung von 1962 . Ein Josephson-Übergang ist ein Paar von Supraleitern, die von einem dünnen Isolator überbrückt sind, wie in Abbildung unten (a), durch die Elektronen tunneln können. Die ersten Josephson-Übergänge waren Blei-Supraleiter, die von einem Isolator überbrückt wurden. Heutzutage wird eine Dreischicht aus Aluminium und Niob bevorzugt. Elektronen können selbst dann durch den Isolator tunneln, wenn an den Supraleitern keine Spannung angelegt wird.

Wird eine Spannung über den Übergang angelegt, nimmt der Strom ab und schwingt mit einer hohen Frequenz proportional zur Spannung. Die Beziehung zwischen angelegter Spannung und Frequenz ist so präzise, ​​dass das Standardvolt nun als Josephson-Übergangs-Schwingungsfrequenz definiert wird. Der Josephson-Übergang kann auch als hypersensitiver Detektor für schwache Magnetfelder dienen. Es ist auch sehr empfindlich gegenüber elektromagnetischer Strahlung von Mikrowellen bis Gammastrahlen.

(a) Josephson-Übergang, (b) Josephson-Transistor.

Josephson-Transistor: Eine Elektrode nahe dem Oxid des Josephson-Übergangs kann den Übergang durch kapazitive Kopplung beeinflussen. Eine solche Anordnung in Abbildung oben (b) ist ein Josephson-Transistor. Ein Hauptmerkmal des Josephson-Transistors ist eine geringe Verlustleistung, die auf hochdichte Schaltungen, beispielsweise Computer, anwendbar ist. Dieser Transistor ist im Allgemeinen Teil eines komplexeren supraleitenden Geräts wie einem SQUID oder RSFQ.

Supraleitendes Quanteninterferenzgerät (SQUID)

SQUID: Ein supraleitendes Quanteninterferenzgerät oder SQUID ist eine Anordnung von Josephson-Übergängen innerhalb eines supraleitenden Rings. In dieser Diskussion wird nur der DC-SQUID betrachtet. Dieses Gerät ist sehr empfindlich gegenüber schwachen Magnetfeldern.

Eine konstante Stromvorspannung wird parallel zu beiden Josephson-Übergängen in der Abbildung unten über den Ring erzwungen. In Abwesenheit eines angelegten Magnetfelds teilt sich der Strom gleichmäßig zwischen den beiden Verbindungen auf, und über den Ring wird keine Spannung entwickelt. [JBc] Während ein beliebiger Wert des magnetischen Flusses (Φ) an das SQUID angelegt werden kann, kann nur ein quantisierter Wert (ein Vielfaches der Flussquanten) durch die Öffnung im supraleitenden Ring fließen.[JBa] Wenn der angelegte Fluss nicht . ist ein genaues Vielfaches der Flussquanten ist, wird der überschüssige Fluss durch einen um den Ring zirkulierenden Strom aufgehoben, der einen Bruchteil der Flussquanten erzeugt. Der zirkulierende Strom fließt in diese Richtung, die jeden überschüssigen Fluss über einem Vielfachen der Flussquanten aufhebt. Es kann den angelegten Fluss entweder bis zu ±(1/2) Flussquanten hinzufügen oder davon subtrahieren. Wenn der zirkulierende Strom im Uhrzeigersinn fließt, addiert sich der Strom zum oberen Josephson-Übergang und subtrahiert vom unteren. Eine lineare Änderung des angelegten Flusses bewirkt, dass sich der zirkulierende Strom sinusförmig ändert.[JBb] Dies kann als Spannung über dem SQUID gemessen werden. Wenn das angelegte Magnetfeld erhöht wird, kann ein Spannungsimpuls für jede Erhöhung um ein Flussquantum gezählt werden.[HYP]

Supraleitendes Quanteninterferenzgerät (SQUID):Josephson-Übergangspaar innerhalb eines supraleitenden Rings. Eine Änderung des Flusses erzeugt eine Spannungsänderung über das JJ-Paar.

Ein SQUID soll empfindlich auf 10 ^-14 . reagieren Tesla, kann das Magnetfeld von Nervenströmen im Gehirn bei 10 ^-13 . erkennen Tesla. Vergleichen Sie dies mit dem 30 x 10 ^-6 Tesla-Stärke des Erdmagnetfelds.

Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)

Schnelles einzelnes Flussquantum (RSFQ): Anstatt Silizium-Halbleiterschaltungen nachzuahmen, beruhen RSFQ-Schaltungen auf neuen Konzepten:Die magnetische Flussquantisierung innerhalb eines Supraleiters und die Bewegung der Flussquanten erzeugen einen quantisierten Picosekunden-Spannungsimpuls. Magnetischer Fluss kann nur innerhalb eines Abschnitts des Supraleiters existieren, der in diskrete Vielfache quantisiert ist. Es werden die niedrigsten zulässigen Flussquanten verwendet. Die Pulse werden durch Josephson-Übergänge anstelle von herkömmlichen Transistoren geschaltet. Die Supraleiter basieren auf einer Dreifachschicht aus Aluminium und Niob mit einer kritischen Temperatur von 9,5 K, gekühlt auf 5 K.

RSQFs arbeiten bei über 100 GHz mit sehr geringer Verlustleistung. Die Herstellung ist mit bestehenden photolithographischen Techniken einfach. Der Betrieb erfordert jedoch eine Kühlung von bis zu 5 K . Reale kommerzielle Anwendungen umfassen Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler, Toggle-Flip-Flops, Schieberegister, Speicher, Addierer und Multiplizierer.[DKB]

Hochtemperatur-Supraleiter

Hochtemperatur-Supraleiter: Hochtemperatur-Supraleiter sind Verbindungen mit Supraleitfähigkeit oberhalb des Siedepunkts von flüssigem Stickstoff von 77 K. Dies ist von Bedeutung, da flüssiger Stickstoff leicht verfügbar und kostengünstig ist. Die meisten konventionellen Supraleiter sind Metalle; weit verbreitete Hochtemperatur-Supraleiter sind Cuprate , Mischoxide des Kupfers (Cu), zum Beispiel YBa₂ Cu₃ O_7-x , kritische Temperatur, T_c =90 K. Eine Liste weiterer ist verfügbar.[OXFD] Die meisten der in diesem Abschnitt beschriebenen Geräte werden in Hochtemperatur-Supraleiter-Versionen für weniger kritische Anwendungen entwickelt. Obwohl sie nicht die Leistung konventioneller Metallsupraleiter aufweisen, ist die Flüssigstickstoffkühlung besser verfügbar.

RÜCKBLICK:

• Die meisten Metalle verringern den Widerstand, wenn sie sich dem absoluten Wert 0 nähern; der Widerstand fällt jedoch nicht auf 0 ab. Supraleiter erfahren beim Abkühlen bei ihrer kritischen Temperatur einen schnellen Widerstand auf Null. Normalerweise T_c innerhalb von 10 K vom absoluten Nullpunkt liegt.
• Ein Cooper-Paar, ein Elektronenpaar, eine quantenmechanische Einheit, bewegt sich ungehindert durch das Metallkristallgitter.
• Elektronen können durch einen Josephson-Übergang, eine isolierende Lücke zwischen zwei Supraleitern, tunneln.
• Das Hinzufügen einer dritten Elektrode oder eines Gates in der Nähe des Übergangs bildet einen Josephson-Transistor.
• Ein SQUID, ein supraleitendes Quanteninterferenzgerät, ist ein hochempfindlicher Detektor für Magnetfelder. Es zählt die Quanteneinheiten eines Magnetfelds innerhalb eines supraleitenden Rings.
• RSFQ, Rapid single fluxquantum ist ein Hochgeschwindigkeits-Schaltgerät, das auf dem Schalten der magnetischen Quanten basiert, die in einer supraleitenden Schleife vorhanden sind.
• Hochtemperatur-Supraleiter, T_c über dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff, können auch verwendet werden, um die supraleitenden Bauelemente in diesem Abschnitt zu bauen.