초전도 장치

초전도 장치는 널리 사용되지는 않지만 표준 반도체 장치에서는 사용할 수 없는 몇 가지 고유한 특성을 가지고 있습니다. 전기 신호 증폭, 자기장 감지 및 빛 감지에 대한 높은 감도는 중요한 응용 분야입니다. 고속 스위칭도 가능하지만 현재 컴퓨터에는 적용되지 않는다. 기존의 초전도 장치는 0Kelvin(-273 ^o 씨). 그러나 현재 고온 초전도체에 대한 작업이 진행 중입니다. 90K 이하에서 사용 가능한 기반 장치. 저렴한 액체 질소가 냉각에 사용될 수 있기 때문에 이것은 중요합니다.

초전도 장치

초전도성

초전도성: Heike Onnes는 초전도성을 발견했습니다. 1911년 수은(Hg)에서 그는 노벨상을 받았습니다. 대부분의 금속은 온도가 감소함에 따라 전기 저항이 감소합니다. 그러나 대부분은 0 켈빈에 접근해도 저항이 0으로 감소하지 않습니다. 수은은 4.2K에서 저항이 갑자기 0Ω으로 떨어진다는 점에서 독특합니다. 초전도체는 임계 온도 T 아래로 냉각될 때 갑자기 모든 저항을 잃습니다. _ㄷ 초전도성의 특성은 도체에 전력 손실이 없다는 것입니다. 전류는 수천 년 동안 초전도 도선의 루프에 흐를 수 있습니다. 초전도체에는 납(Pb), 알루미늄, (Al), 주석(Sn) 및 니오븀(Nb)이 포함됩니다.

쿠퍼 쌍

쿠퍼 쌍: 초전도체의 무손실 전도는 일반적인 전자 흐름에 의한 것이 아닙니다. 정상 도체의 전자 흐름은 단단한 이온 금속 결정 격자와의 충돌로 반대 현상에 직면합니다. 온도가 감소함에 따라 결정 격자의 진동이 감소하면 저항이 어느 정도 감소합니다. 격자 진동은 절대 영도에서 멈추지만 격자와 전자의 에너지 소산 충돌은 아닙니다. 따라서 정상 도체는 절대 영도에서 모든 저항을 잃지 않습니다.

초전도체의 전자는 쿠퍼 쌍이라고 하는 전자 쌍을 형성합니다. , 온도가 초전도가 시작되는 임계 온도 이하로 떨어지기 때문입니다. 구리 쌍은 짝을 이루지 않은 전자보다 에너지 준위가 낮기 때문에 존재합니다. 전자는 음성자 교환으로 인해 서로 끌어당깁니다. , 진동과 관련된 매우 낮은 에너지 입자. 이 구리 쌍, 양자 역학적 실체(입자 또는 파동)는 일반 물리학 법칙의 적용을 받지 않습니다. 이 개체는 고정 격자를 구성하는 금속 이온과 만나지 않고 격자를 통해 전파됩니다. 따라서 에너지를 소모하지 않습니다. 구리 쌍의 양자 역학적 특성은 연속적으로 가변적인 양이 아닌 불연속적인 양의 에너지만 교환할 수 있도록 합니다. 에너지의 절대 최소 양자는 구리 쌍에 허용됩니다. 결정 격자의 진동 에너지가 낮은 경우(낮은 온도로 인해) 구리 쌍은 이를 수용할 수 없고 격자에 의해 산란될 수 없습니다. 따라서 임계 온도에서 구리 쌍은 격자를 통해 방해받지 않고 흐릅니다.

Josephson 접합 및 트랜지스터

조셉슨 교차로: Brian Josephson은 1962년 Josepheson junction을 예측한 공로로 노벨상을 받았습니다. . Josephson 접합은 아래 그림 (a)와 같이 얇은 절연체로 연결된 한 쌍의 초전도체이며, 이를 통해 전자가 터널링될 수 있습니다. 최초의 Josephson 접합은 절연체로 연결된 납 초전도체였습니다. 요즘에는 알루미늄과 니오븀의 삼중층이 선호됩니다. 전자는 초전도체에 전압이 0인 상태에서도 절연체를 통해 터널링할 수 있습니다.

접합부 양단에 전압이 가해지면 전류는 감소하고 전압에 비례하는 고주파수에서 진동합니다. 인가된 전압과 주파수 사이의 관계는 매우 정확하여 표준 전압은 이제 Josephson 접합 발진 주파수로 정의됩니다. Josephson 접합은 또한 낮은 수준의 자기장에 대한 과민한 감지기 역할을 할 수 있습니다. 또한 마이크로파에서 감마선에 이르는 전자기 복사에 매우 민감합니다.

(a) Josephson 접합, (b) Josephson 트랜지스터.

조셉슨 트랜지스터: Josephson 접합의 산화물에 가까운 전극은 용량성 결합에 의해 접합에 영향을 줄 수 있습니다. 위의 그림 (b)에서 이러한 어셈블리는 Josephson 트랜지스터입니다. Josephson 트랜지스터의 주요 특징은 컴퓨터와 같은 고밀도 회로에 적용할 수 있는 낮은 전력 손실입니다. 이 트랜지스터는 일반적으로 SQUID 또는 RSFQ와 같은 더 복잡한 초전도 장치의 일부입니다.

초전도 양자 간섭 장치(SQUID)

오징어: 초전도 양자 간섭 장치 또는 오징어 초전도 링 내 조셉슨 접합의 어셈블리입니다. 이 논의에서는 DC SQUID만 고려합니다. 이 장치는 낮은 수준의 자기장에 매우 민감합니다.

아래 그림의 두 조셉슨 접합과 병렬로 링을 가로질러 일정한 전류 바이어스가 강제됩니다. 전류는 인가된 자기장이 없을 때 두 접합 사이에 균등하게 분배되고 링 양단에 전압이 발생하지 않습니다. [JBc] SQUID에 임의의 자속(Φ) 값을 적용할 수 있지만 양자화된 값(플럭스 양자의 배수)만 초전도 링의 개구부를 통해 흐를 수 있습니다.[JBa] 적용된 자속이 아닌 경우 플럭스 양자의 정확한 배수에서 초과 플럭스는 분수 플럭스 양자를 생성하는 링 주위의 순환 전류에 의해 상쇄됩니다. 순환 전류는 플럭스 양자의 배수 이상의 초과 플럭스를 상쇄하는 방향으로 흐를 것입니다. 적용된 플럭스에서 최대 ±(1/2) 플럭스 양자를 더하거나 뺄 수 있습니다. 순환 전류가 시계 방향으로 흐르면 전류는 위쪽 Josephson 접합에 추가되고 아래쪽 접합에서 뺍니다. 적용된 자속을 선형으로 변경하면 순환 전류가 정현파로 변합니다.[JBb] 이것은 SQUID 양단의 전압으로 측정할 수 있습니다. 인가된 자기장이 증가함에 따라 전압 펄스는 플럭스 quanta만큼 증가할 때마다 카운트될 수 있습니다.[HYP]

초전도 양자 간섭 장치(SQUID):초전도 링 내의 조셉슨 접합 쌍. 플럭스의 변화는 JJ 쌍에 걸쳐 전압 변동을 생성합니다.

SQUID는 10 ^-14 에 민감하다고 합니다. Tesla, 10 ^-13 에서 뇌의 신경 전류 자기장을 감지할 수 있습니다. 테슬라. 이것을 30 x 10 ^-6 과 비교하십시오. 지구 자기장의 Tesla 강도입니다.

RSFQ(Rapid Single Flux Quantum)

빠른 단일 플럭스 양자(RSFQ): RSFQ 회로는 실리콘 반도체 회로를 모방하는 대신 새로운 개념에 의존합니다. 초전도체 내의 자속 양자화 및 자속 양자의 이동은 피코초 양자화된 전압 펄스를 생성합니다. 자속은 이산 배수로 양자화된 초전도체 섹션 내에서만 존재할 수 있습니다. 허용되는 가장 낮은 플럭스 양자가 사용됩니다. 펄스는 기존 트랜지스터 대신 Josephson 접합에 의해 전환됩니다. 초전도체는 임계 온도가 9.5K이고 5K로 냉각되는 알루미늄과 니오븀의 삼중층을 기반으로 합니다.

RSQF는 전력 손실이 거의 없이 100GHz 이상에서 작동합니다. 기존의 포토리소그래피 기술로 제조가 간단합니다. 그러나 작동에는 5K 이하의 냉각이 필요합니다. 실제 상용 애플리케이션에는 아날로그-디지털 및 디지털-아날로그 변환기, 토글 플립플롭, 시프트 레지스터, 메모리, 가산기 및 승수가 포함됩니다.[DKB]

고온 초전도체

고온 초전도체: 고온 초전도체 액체 질소 끓는점 77K 이상에서 초전도성을 나타내는 화합물입니다. 이는 액체 질소를 쉽게 구할 수 있고 저렴하기 때문에 중요합니다. 대부분의 기존 초전도체는 금속입니다. 널리 사용되는 고온 초전도체는 cuprate입니다. , 구리의 혼합 산화물(Cu), 예:YBa₂ Cu₃ O_7-x , 임계 온도, T_c =90 K. 기타 목록을 사용할 수 있습니다.[OXFD] 이 섹션에서 설명하는 대부분의 장치는 덜 중요한 애플리케이션을 위해 고온 초전도체 버전으로 개발되고 있습니다. 기존 금속 초전도체 장치의 성능은 없지만 액체 질소 냉각이 더 유용합니다.

검토:

<울>

대부분의 금속은 절대값 0에 가까워지면 저항이 감소합니다. 그러나 저항은 0으로 떨어지지 않습니다. 초전도체는 냉각될 때 임계 온도에서 저항이 0으로 급격히 떨어집니다. 일반적으로 T_c 절대 영도에서 10K 이내입니다.

쿠퍼쌍, 전자쌍, 양자역학적 실체는 금속 결정 격자를 통해 방해받지 않고 움직입니다.

전자는 한 쌍의 초전도체를 가로지르는 절연 틈인 조셉슨 접합을 통해 터널링할 수 있습니다.

접합부 근처에 세 번째 전극 또는 게이트를 추가하면 Josephson 트랜지스터가 구성됩니다.

초전도 양자간섭소자 SQUID는 자기장의 고감도 검출기이다. 초전도 링 내 자기장의 양자 단위를 계산합니다.

RSFQ, Rapid 단일 플럭스 양자는 초전도 루프 내에 존재하는 자기 양자 스위칭을 기반으로 하는 고속 스위칭 장치입니다.

고온 초전도체, T_c 액체 질소 끓는점보다 높으면 이 섹션에서 초전도 장치를 만드는 데 사용할 수도 있습니다.