SQUID: differenze tra le versioni

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{{nota disambigua| altro | Squid (disambigua)}}

Gli '''SQUID''' (acronimo inglese di '''''superconducting quantum Interference device''''', {{Lett|dispositivo superconduttore a interferenza quantistica}}) sono magnetometri estremamente sensibili, usati per misurare deboli campi magnetici flebili, e sono costituiti da un anello [[superconduttore]] contenente una o più [[giunzione Josephson|giunzioni Josephson]].

Per essere precisi, gli SQUID misurano il [[flusso magnetico]] concatenato e la loro sensibilità è espressa in frazioni del [[quanto di flusso|quanto di flusso magnetico]]: <math>\Phi_o=h /2e=2,067833636\cdot 10^{-15}\ Tm^2</math> per unità di banda passante.

La sensibilità al flusso del [[campo magnetico]] degli SQUID per strumenti commerciali<ref>{{Cita web |url=https://starcryo.com/wp-content/themes/education-pro/brochures/SQUID-Guide.pdf }}</ref> è di circa <math>3\times 10^{-6} \Phi_o /\sqrt{Hz}\ </math>, per frequenze al di sopra di <math>0.,5\ Hz</math>.

Negli ultimi anni si sono affermati nuovi magnetometri basati sullo scambio di [[spin]]<ref>{{Cita pubblicazione

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potenzialmente maggiore (non dimostrata sperimentalmente), ma occupano un volume maggiore degli SQUID e necessitano di campi magnetici di fondo molto piccoli; tuttavia hanno il pregio di funzionare a [[temperatura ambiente]].

Uno SQUID è formato da materiali [[superconduttore|superconduttori]]; per funzionare ha quindi bisogno di essere raffreddato a temperature inferiori alla [[temperatura critica]]. Nel caso di superconduttori ad alta temperatura critica si devono raggiungere temperature inferiori ai 90 [[Kelvin|K]] (raggiungibili con [[azoto liquido]]), mentre per superconduttori convenzionali la temperatura deve essere inferiore ai 9 K (raggiungibili con [[elio]] liquido). Tenere presente che finoraFinora SQUID ad elevate prestazioni (rumore, riproducibilità) sono ottenuti solo con [[superconduttore|superconduttori]] tradizionali.

Con questo nome si distinguono due dispositivi: il [[Corrente continua|dc]]-SQUID e l'[[Radiofrequenza|rf]]-SQUID.

==dc-SQUID==

[[File:SQUID IV.svg|upright=1.4|thumb|Figura 1: Schema elettrico di un dc-SQUID, dove I_b è la corrente applicata, I₀ la corrente critica, Φ il flusso che attraversa lo SQUID e V la differenza di potenziale ai capi del dispositivo.]]

Il dc-SQUID è stato inventato nel 1964<ref>R. Jaklevic, J. J. Lambe, J. Mercereau and A. Silver, ''Quantum Interference Effects in Josephson Tunneling'', Phys. Rev. Lett. 12, 159 (1964)</ref>. Storicamente fu preceduto da altre due scoperte riguardanti la [[superconduttore|superconduttività]]: l'[[Giunzione Josephson|effetto Josephson]] e la [[quantizzazione del flusso]]. Le giunzioni Josephson furono previste nel [[1962]]<ref name=Joe>B. D. Josephson, ''Possible new effects in superconductive tunnelling'', Phys. Lett. '''1''' 251 (1962)</ref> e realizzate poi nel [[1963]]<ref name=AR>P.W. Anderson e J. M. Rowell, ''Probable Observation of the Josephson Superconducting Tunneling Effect'', Phys. Rev. Lett. '''10''' 230 (1963).</ref>. La quantizzazione del flusso era invece stata prevista nel 1948 da F. London<ref name=Lon>F. London, ''Superfluids'' John Wiley and Sons, New York, 1950</ref>, ma con un valore due volte maggiore; solo nel 1961 Doll e Nabauer<ref name=DN>R. Doll and M. Nabauer, Experimental Proof of Magnetic Flux Quantization in a Superconducting Ring, Phys. Rev. Lett. '''7''' 51, (1961)</ref> determinaronomisurarono sperimentalmente tale effetto.

Un dc-SQUID ha due giunzioni Josephson in parallelo in un anello superconduttore, caratterizzato dalla sua [[induttanza]] <math>L\ </math> totale. La figura a fianco mostra lo schema: la croce è il simbolo delle giunzioni Josephson, che sono eguali (per comodità di trattazione) e con corrente critica <math>I_o\ </math>. Un generatore di corrente continua polarizza con una corrente <math>I_b\ </math> l'anello, e tale corrente in assenza di campo magnetico esterno si separa in maniera simmetrica tra i due rami in parallelo. Se si applica un piccolo flusso magnetico ( <math>\Phi_e<\Phi_o/2\ </math>), a causa della quantizzazione del flusso (che impone che dentro l'anello il flusso sia nullo o pari a multipli interi del quanto di flusso) si deve generare una corrente circolante di schermo tanto maggiore quanto minore è l'induttanza dell'anello:

<math>I_{circolante}=\frac {\phi_ePhi_e}L\ </math>

[[File:IV curve.svg|upright=1.8|thumb|Figura 2. A sinistra: Grafico corrente-tensione per un dc-SQUID. La curva superiore corrisponde a nΦ₀ e quella inferiore a (n+1/2) Φ₀. A destra: Risposta periodica in tensione ad flusso attraverso uno SQUID. Il periodo è uguale ad un quanto di flusso, Φ₀]]

Tale corrente va a sommarsi alla corrente di una giunzione eed a sottrarsi ad un'altra. Di conseguenza la corrente massima di polarizzazione diviene inferiore a <math>2I_o\ </math>.

Il minimo assoluto della corrente critica del dispositivo si ha per <math>\Phi_o/2\ </math>, quando la corrente circolante è massima. Se <math>\Phi_e>\Phi_o/2\ </math> la corrente circolerà

in verso opposto fino ad annullarsi nuovamente per <math>\Phi_e=\Phi_o\ </math>.

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Se la corrente di polarizzazione supera la corrente critica, tale differente comportamento si traduce in una differenza di potenziale ai capi del dispositivo che varia periodicamente con il flusso magnetico esterno. La caratteristica corrente-tensione di uno SQUID è mostrata nella figura 2, a sinistra, dove ∆V è l'ampiezza dell'oscillazione di tensione dovuta al campo magnetico esterno. Nella figura 2, a destra, si mostra la caduta di potenziale ai capi dello SQUID come una [[funzione periodica]] del [[quanto di flusso|quanto di flusso magnetico]].

Per ottenere tale risultato è necessario aver aggiunto in parallelo alle giunzioni una opportuna resistenza <math>R\ </math> di [[Shunt (elettrotecnica)|shunt]] che elimina il comportamento isteretico della caratteristica corrente-tensione delle giunzioni Josephson dovuta alla loro [[Capacità elettrica|capacità]] <math>C\ </math> propria. Si può dimostrare che se <math>2\pi R^2 I_oC<0.,7\Phi_o\ </math>, la caratteristica corrente-tensione è come la curva a sinistra di figura 2. Quindi se lo SQUID è polarizzato al di sopra della corrente critica si trova nel modo resistivo. Approssimativamente si può dire, per <math>d\Phi_e\ll \Phi_o\ </math>, che:

<math>dV \approx\frac RL d\Phi_e\ </math>

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Quindi la responsività di un dc-SQUID è tanto più alta quanto più bassa è l'induttanza e più alta la resistenza di shunt (che però ha un limite dovuto alla condizione di non avere le giunzioni con [[isteresi]]).

Per aumentare la [[velocità di risposta]] ed l'[[intervallo dinamico]] di un dc-SQUID, si utilizza un circuito dia [[retroazione#Retroazione negativa o controreazione|retroazione negativa]] per applicare un flusso opposto in modo che il flusso attraverso lo SQUID sia costante. L'intensità del flusso applicato in retroazione è proporzionale al campo magnetico esterno e permette quindi la misura del campo stesso.

===L'induttanza di ingresso===

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Un dc-SQUID ideale ha una densità di energia spettrale accoppiata<ref>J. Clarke, in Advances in Superconductivity, edts. B. Deaver and J. Ruwald, Plenum Press, (1983)</ref> di

:<math>S_{\mathcal E}=16kT\sqrt{LC}/k^2\ </math>

Il migliore risultato sperimentale finora ottenuto in dispositivi accoppiati con bobine è quello di un micro-suscettometro<ref>D.D. Awschalom, J.R. Rozen, M.B. Kelchen, W.J. Gallagher, A.W. Kleinsasser, R.L. Sandstrom and B. Bumble. Appl. Phys. Lett. '''53''', 2108 (1988)</ref> che hanno riportato una densità di energia spettrale accoppiata di <math>1.,7\hbar\ </math> con una bobina di ingresso di <math>2.,5\ nH</math>. Con una bobina<ref>P. Carelli, M.G. Castellano, G. Torrioli and R. Leoni, ''Low noise multiwasher superconducting interferometer'', Appl. Phys. Lett. '''72''', 115 (1998)</ref> di maggiore valore (<math>0.,5\ \mu H\ </math>) ed a più alta temperatura (0,9 K) è stato misurato un rumore in flusso di <math>5.,5\times 10^{-8} \Phi_o /\sqrt{Hz}\ </math>

che corrisponde ad una densità di energia spettrale accoppiata di <math>5.,5\hbar\ </math>.

==rf-SQUID==

[[File:SchemarfSQUID.png|thumb|Figura 1: Schema elettrico di un rf-SQUID, il dispositivo consiste di un anello superconduttore interrotto da una sola giunzione Josephson, sulla destra è mostrato il circuito risonante a rf accoppiato debolmente con il dispositivo e sulla sinistra la bobina di ingresso.]]

Lo SQUID a radio frequenza (rf-SQUID) utilizza una singola giunzione Josephson di corrente critica <math>I_o\ </math> che interrompe un anello superconduttore di induttanza <math>L\ </math>; a causa della [[quantizzazione del flusso]] il flusso interno è un multiplo del quanto di flusso. Se <math>\frac {2\pi LI_o}{\Phi_o}>1\ </math> la caratteristica flusso interno in funzione del campo magnetico applicato descrive un ciclo di isteresi, questo comporta che il [[fattore di merito]] di un circuito a rf accoppiato debolmente con l'anello stesso (mostrato a destra nella figura a fianco) dipende dall'ampiezza di tale isteresi che aumenta o diminuisce con il campo magnetico statico concatenato con l'anello. Il circuito di alimentazione di questo dispositivo consiste semplicemente di una corrente a rf di ampiezza opportuna (in maniera da fare descrivere uno o più cicli di isteresi) modulata a bassa frequenza che viene applicata su un circuito risonante alla frequenza rf del segnale.

Il segnale rivelato con tecnica di [[supereterodina]] a rf è un caratteristico segnale di forma triangolare (con periodo un quanto di flusso); il segnale rivelato si utilizza per chiudere un anello di controreazione e quindi l'uscita del dispositivo è una funzione lineare del campo ingresso nella bobina di ingresso (fortemente accoppiata) mostrata alla sinistra della figura. Il rf-SQUID fu inventato nel 1965 da Robert Jaklevic, John J. Lambe, Arnold Silver e James Edward Zimmerman e ha avuto un notevole successo per circa 20 anni: produrre una giunzione Josephson, che inizialmente si fabbricava in maniera meccanica con tecniche artigianali, è molto più semplice che produrre due giunzioni quasi eguali (quelle necessarie per un dc-SQUID). Inoltre la rivelazione eterodina è una tecnica molto usata per rivelazione di segnali radio e fare un circuito risonante a 19 MHz (la frequenza più utilizzata per questi dispositivi) è relativamente semplice. Il limite in sensibilità è proprio dato dalla frequenza di operazione. Ci si rese conto che aumentandoaumentare la frequenza leaumentava caratteristichela disensibilità, rumorema eranofare piùcircuiti interessanti,risonanti maa confrequenze circuitimolto piùalte semplicicioè [[microonde]] è preferibilecomplicato, mentre i circuiti per usare un dc-SQUID sono molto semplici, che quindi nella maggior parte delle applicazioni il dc-SQUID ha soppiantato il rf-SQUID.

==Usi degli SQUID==

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La [[Suscettività magnetica|suscettometria]] è una delle applicazioni più diffuse, vi sono ditte che forniscono strumenti chiavi in mano che permettono di effettuare misure delle proprietà magnetiche di campioni, a partire da temperature di 4 K in su (anche maggiori di temperatura ambiente).

È stato dimostrato in laboratorio che la [[Imaging a risonanza magnetica|risonanza magnetica]] mediante l'uso di SQUID può essere effettuata in campi di molti ordini di grandezza più bassi di quelli di normalmente usati.

Un'altra applicazione è il [[Microscopio_a_dispositivo_SQUID_a_scansione|microscopio SQUID a scansione]], che usa uno SQUID di dimensioni molto piccole per fare microscopia superficiale.

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Gli SQUID sono dei dispositivi estremamente versatili, infatti possono essere usati per misurare qualsiasi quantità fisica che può essere convertita in un flusso magnetico come ad esempio correnti e tensioni. Per questa ragione trovano applicazioni non solo nelle tecniche magnetometria già menzionate, ma anche in alcune misure alla frontiera della fisica quali ''test'' della [[Relatività generale]]<ref>{{Cita libro |url=http://einstein.stanford.edu/content/education/GP-B_T-Guide4-2008.pdf |cognome=Ran |nome=Shannon K’doah |titolo=Gravity Probe B: Exploring Einstein's Universe with Gyroscopes |formato=PDF |pagine=26 |anno=2004 |editore=[[NASA]]}}</ref>, la ricerca di [[onde gravitazionali]]<ref>P. Astone ed al. Long-term operation of the Rome "Explorer" cryogenic gravitational wave detector, Phys. Rev. D '''47''', (1993) 362</ref>.

Vi è da aggiungere che sono stati anche usati per la ricerca di alcune particelle esotiche quali [[Wimp (fisica)|WIMPP's]], [[Monopolo magnetico|monopoli magnetici]], [[Quark_(particella)|quarks liberi]] e [[neutrino|neutrini]].

Attualmente vi è una notevole attività nel tentativo di usare tali dispositivi come [[Qubit|qu-bit]] di un [[Computer quantistico]]<ref>V Bouchiat, D Vion, P Joyez, D Esteve, M H Devoret, [http://iopscience.iop.org/1402-4896/1998/T76/024 ''Quantum coherence with a single Cooper pair''], 1998 Phys. Scr. 1998 165</ref>.