Функциональные устройства на магнитных вихрях в сверхпроводниках второго рода

Ось вихря параллельна внешнему магнитному полю. Вдоль оси вихря и окружающей ее сверхпроводящую область проходит квант магнит­ного потока Ф0. Диаметр нити нормальной фазы равен длине коге­рентности, а внешний диаметр сверхпроводящей фазы определяется лондоновской глубиной проникновения магнитного поля в сверх­проводник. Для сверхпроводников второго рода характерно, что . Как длина когерентности, так и лондоновская длина зависят от состава и толщины пленок.

В однородных пленках флуксон может перемещаться в плоскости пленки под действием внешних сил,, в частности, силы Лоренца, возникающей при протекании вдоль пленки сверхпроводящего тока. При токе 10¹⁰ А/м², скорость перемещения вихря составляет в Pb-In 0,35·10⁴ м/с, в А1 – 1,5·10⁴ м/с.

Физические неоднородности в сверхпроводящих пленках являются центрами закрепления вихрей и для отрыва вихря необходимо приложить дополнительную силу. Минимальная сила, необходимая для отрыва вихря, по аналогии с магнетизмом называется коэрцитивностью материала. В случае действия силы Лоренца коэрцитивность материала будет определяться минимальной величиной сверхпроводя­щего тока, приводящего в движение магнитный вихрь. Магнитный вихрь является типичным примером динамической неоднородности – основы функциональной электроники, которую можно использовать для создания устройств обработки информации. Факт наличия или отсутствия магнитного вихря в данном месте пленки представляет собой единицу информации – бит.

Рис 12.4 Схема генерации и ввода магнитных вихрей в канал продвижения

Энергия магнитного вихря , равна произведению плотности энергии на длину L_H его нити:

(12.1),

где

(12.2),

– магнитная проницаемость вакуума.

В связи с этим любое утолщение в пленке, содержащей магнитные вихри, будет представлять собой некоторый потенциальный барьер для движения вихря. Высота барьера , где – вели­чина утолщения или ступеньки. Следовательно, изменяя толщину вихресодержащих пленок сверхпроводника второго рода, можно формировать каналы перемещения магнитных вихрей.

Существуют и другие методы канализации магнитных вихрей. Схемы продвижения вихрей являются важнейшими элементами функ­циональных устройств на магнитных вихрях.

Генерация магнитных вихрей реализуется с помощью токовой ши­ны, которая размещается на краю вихресодержащей пленки (рис 12.4). Для контроля за входом вихря в канал продвижения можно исполь­зовать токовую шину, пересекающую вход в канал.

Считывание магнитных вихрей легко осуществить с помощью одиночных джозефсоновских пе­реходов. Если вихресодержащая пленка является одной стороной джозефсоновского перехода, то при приближении вихря к перехо­ду токи вихря проникают в пере­ход и модулируют сверхпроводя­щий ток, протекающий через него. Наконец, для аннигиляции магнитных вихрей их можно вы­водить из вихресодержащей плен­ки в какую-либо область.

Отмеченный набор основных элементов на магнитных вихрях позволяет создавать разнообраз­ные устройства функциональной электроники.

Рис. 12.5 Запоминающие устройства на магнитных вихрях. а – сдвиговый регистр; б – накопитель

На рис 12.5 а приведена схема запоминающего устройства с последовательной выборкой информации – сдвиговый регистр на магнитных вихрях, а на рис 12.5 б изображено запоминающее уст­ройство с параллельно-последовательной организацией записи и счи­тывания информации.

Анализ показывает, что на магнитных вихрях можно сформиро­вать память с объемом информации 10⁸—10¹⁰ бит.

На основе сверхпроводников второго рода были созданы наиболее чувствительные приемники теплового излучения.

Вспомним, что в отличие от фотонных приемников излучения, работа которых связана с генерацией носителей заряда под действием поглощаемых фотонов с энергией, большей ширины запрещенной зо­ны или энергии ионизации примесного центра, сигнал на выходе теп­ловых приемников, болометров, зависит лишь от мощности поглощен­ного излучения и не зависит от его спектрального состава. Если в види­мом, ближнем и среднем, ИК-диапазонах преимущество фотонных фо­топриемников неоспоримо, то по мере освоения более длинноволно­вого ИК-излучения конкурентоспособность болометров становится очевидной.

Болометры, как и другие типы приемников излучения, являются преобразователями падающей лучистой энергии в измеряемый сигнал. Интегральная чувствительность приемника S определяется как отно­шение приращения электрического сигнала на выходе приемника к приращению падающего потока энергии

(12.3),

Частотную характеристику приемника определяет постоянная времени τ.

Физическим ограничением используемых сверхпроводящих пленочных болометров является прямопропорциональная связь между чувствительностью приемника S и постоянной времени τ. Сверхпроводники второго рода позволяют преодолеть это ограничение.

Рис. 12.6. Зависимость внешнего магнитного потока, проникающего в сверхпроводящую пленку, от температуры

Как мы уже отмечали, сверхпроводник второго рода, находящийся во внешнем магнитном поле, напряженность которого равна напряженности нижнего критического поля переходит из сверхпроводящего состояния в смешанное. При этом переход в смешанное состояние сопровождается образованием магнитных вихрей. Наиболее существенным для создания боло­метров является то обстоятельство, что сам переход из сверхпроводящего состояния в смешанное осуществляется в постоянном магнитном поле за счет изменения температуры, и количество магнитных вихрей, т. е. суммарный магнитный поток, проникающий в сверхпроводящую пленку, зависит от температуры при данном внешнем магнитном поле. Эта зависимость проникающего потока Ф от температуры в области обладает большой крутизной и имеет вид, показанный на рис 6. Здесь Т_к1 – критическая температура перехода из сверхпроводящего состояния в смешанное при заданном значении внешнего магнитного поля Н, Ф_N – магнитный поток, пронизывающий пленку, находя­щуюся в нормальном (несверхпроводящем) состоянии.

Следовательно, если приемная площадка болометра выполнена из сверхпроводника второго рода и находится во внешнем магнитном поле, то слабое изменение температуры приемной площадки под действием падающего излучения приведет к образованию вихрей, ко­личество которых будет определяться падающим тепловым потоком. Поскольку вихри обладают высокой подвижностью, то их можно под влиянием внешних воздействий перемещать и считывать.

Магнитные вихри могут зарождаться только на краях сверх­проводящей площадки. Путь l_Σ – суммарная длина краев приемной площадки, на которых происходит образование вихрей, u – скорость образования вихрей, т. е. количество вихрей, образующихся в единицу времени на единице длины края сверхпроводника. Поток вихрей

(12.4),

где l – текущие координаты краев приемной площадки. Величина u(l) определяется температурой приемной площадки и скоростью отвода образующихся вихрей от краев площадки. Под влиянием транспортного тока I_Т вихри движутся по сверхпроводящей пленке 2 и пересекают считывающий элемент 3, представляющий собой тонкую и узкую сверхпроводниковую пленку, размещенную перпендикулярно направ­лению движения вихрей.

Вихри, пересекая эту пленку, индуктируют в ней электрическое поле, в результате чего на концах считывающего элемента возникает напряжение, равное

V = Ф₀g (12.5),

а выражение для вольт-ваттной чувствительности будет

(12.6),

где α – коэффициент поглощения, W_α – мощность излучения.

Образование магнитных вихрей сопровождается поглощением тепловой энергии из приемной площадки. Если тепловую энергию на единицу толщины приемной площадки, идущую на образование одно­го магнитного вихря, обозначим Q, тогда энергия, поглощенная вих­рями при их образовании в единицу времени, будет

(12.7),

где d – толщина пленки сверхпроводника приемной площадки.

Естественно, что не вся поглощающая энергия W_α пойдет на обра­зование вихрей, часть энергии рассеется благодаря теплопроводности и излучению в окружающую среду, т. е. в результате теплообмена.

В этом случае

W_α = W_b + W_T, (12.8),

где W_T – энергия, ушедшая от приемной площадки в результате тепло­обмена.

Несложно вычислить, что чувствительность S будет определятся выражением

(12.9).

Работа приемников на основе вихрей может происходить как в ре­жиме непрерывного считывания, так и в режиме накопления, что особо важно при создании пороговых приемников теплового излучения.