Сверхчувствительные магнитометры: SQUID и современные разработки.

Введение

Тип магнитометра

СQUID (сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство) — это высокочувствительный магнитометр, используемый для измерения крайне слабых магнитных полей, основанный на сверхпроводящих контурах, содержащих джозефсоновские переходы. СQUID способны измерять поля величиной до 5×10−14 Тл при усреднении измерений в течение нескольких дней. Их уровень шума достигает 3 фТл·Гц−1/2. Для сравнения, типичный бытовой магнит производит 0,01 Тесла (10−2 Т), а некоторые процессы в живых организмах генерируют очень слабые магнитные поля в диапазоне от 10−9 Тл до 10−6 Тл. Атомные магнитометры SERF, изобретенные в начале 2000-х годов, потенциально обладают большей чувствительностью и не требуют криогенного охлаждения, однако их размеры на несколько порядков больше (~1 см3), и они должны работать вблизи нулевого магнитного поля.

История и дизайн

Существует два основных типа SQUID: постоянного тока (DC) и радиочастотные (RF). RF SQUID могут работать всего с одним джозефсоновским переходом (сверхпроводящим туннельным переходом), что может удешевить их производство, но снижает чувствительность.

RF SQUID

RF SQUID был изобретен в 1965 году Робертом Жаклевичем, Джоном Дж. Ламбом, Арнольдом Сильвером и Джеймсом Эдвардом Циммерманом в компании Ford. RF SQUID индуктивно связан с резонансным контуром. В зависимости от внешнего магнитного поля, при работе SQUID в режиме сопротивления, эффективная индуктивность резонансного контура изменяется, что приводит к изменению его резонансной частоты. Эти измерения частоты могут быть легко выполнены, и, следовательно, потери, проявляющиеся в виде напряжения на резисторе нагрузки в цепи, являются периодической функцией приложенного магнитного потока с периодом. Для точного математического описания обратитесь к оригинальной статье Эрне и др.

Применение

Из-за своей чрезвычайной чувствительности СКВИДы идеально подходят для исследований в биологии. Магнитоэнцефалография (МЭГ), например, использует измерения с массива СКВИД для оценки нейронной активности в мозге. Поскольку СКВИДы могут работать с частотой дискретизации, значительно превышающей максимальную интересующую временную частоту сигналов, излучаемых мозгом (кГц), МЭГ обеспечивает хорошее временное разрешение. Другая область применения СКВИД – магнитогастрография, которая занимается записью слабых магнитных полей желудка. Новым применением СКВИД является метод мониторинга магнитных маркеров, используемый для отслеживания пути лекарственных препаратов, введенных перорально. В клинической практике СКВИД используются в кардиологии для магнитной полевой визуализации (MFI), которая позволяет обнаруживать магнитное поле сердца для диагностики и оценки рисков. Вероятно, наиболее распространенное коммерческое применение СКВИД – это системы измерения магнитных свойств (MPMS). Это готовые системы, выпускаемые несколькими производителями, которые измеряют магнитные свойства образцов материалов. Обычно это делается в диапазоне температур от 300 мК до примерно 400 К. Благодаря уменьшению размеров СКВИД-сенсоров за последнее десятилетие, такие сенсоры могут быть установлены на кончике зонда атомно-силового микроскопа (AFM). Такое устройство позволяет одновременно измерять шероховатость поверхности образца и локальный магнитный поток. Например, СКВИДы используются в качестве детекторов для магнитно-резонансной томографии (МРТ). В то время как высокопольная МРТ использует поля прецессии от одного до нескольких тесла, МРТ с детектированием СКВИД использует измерительные поля в диапазоне микротесла. В обычной системе МРТ сигнал масштабируется как квадрат частоты измерения (и, следовательно, поля прецессии): одна степень частоты обусловлена тепловой поляризацией спинов при комнатной температуре, а вторая степень поля – тем, что индуцированное напряжение в катушке сбора пропорционально частоте прецессирующей намагниченности. Однако в случае нерегулируемого детектирования СКВИД предварительно поляризованных спинов, сила сигнала ЯМР не зависит от поля прецессии, что позволяет обнаруживать сигнал МРТ в чрезвычайно слабых полях, порядка магнитного поля Земли. МРТ с детектированием СКВИД имеет преимущества перед высокопольными системами, такие как низкая стоимость создания и компактность. Этот принцип был продемонстрирован при визуализации конечностей человека, а в будущем может быть использован для скрининга опухолей. Другое применение – сканирующий СКВИД-микроскоп, в котором СКВИД, погруженный в жидкий гелий, используется в качестве зонда. Использование СКВИД в геологоразведке нефти и полезных ископаемых, прогнозировании землетрясений и геотермальной энергетике становится все более распространенным по мере развития технологии сверхпроводников; они также используются в качестве прецизионных датчиков движения в различных научных приложениях, таких как обнаружение гравитационных волн. СКВИД является датчиком в каждом из четырех гироскопов, использованных в проекте Gravity Probe B для проверки пределов общей теории относительности. СКВИДы, изготовленные из сверххолодных ниобиевых проволочных контуров, используются в качестве основы для квантового компьютера D Wave Systems 2000Q.

The extreme sensitivity of SQUIDs makes them ideal for studies in biology. Magnetoencephalography (MEG), for example, uses measurements from an array of SQUIDs to make inferences about neural activity inside brains. Because SQUIDs can operate at acquisition rates much higher than the highest temporal frequency of interest in the signals emitted by the brain (kHz), MEG achieves good temporal resolution. Another area where SQUIDs are used is magnetogastrography, which is concerned with recording the weak magnetic fields of the stomach. A novel application of SQUIDs is the magnetic marker monitoring method, which is used to trace the path of orally applied drugs. In the clinical environment SQUIDs are used in cardiology for magnetic field imaging (MFI), which detects the magnetic field of the heart for diagnosis and risk stratification. Probably the most common commercial use of SQUIDs is in magnetic property measurement systems (MPMS). These are turn key systems, made by several manufacturers, that measure the magnetic properties of a material sample. This is typically done over a temperature range from that of 300 mK to roughly 400 K. With the decreasing size of SQUID sensors since the last decade, such sensor can equip the tip of an AFM probe. Such device allows simultaneous measurement of roughness of the surface of a sample and the local magnetic flux. For example, SQUIDs are being used as detectors to perform magnetic resonance imaging (MRI). While high field MRI uses precession fields of one to several teslas, SQUID detected MRI uses measurement fields that lie in the microtesla range. In a conventional MRI system, the signal scales as the square of the measurement frequency (and hence precession field): one power of frequency comes from the thermal polarization of the spins at ambient temperature, while the second power of field comes from the fact that the induced voltage in the pickup coil is proportional to the frequency of the precessing magnetization. In the case of untuned SQUID detection of prepolarized spins, however, the NMR signal strength is independent of precession field, allowing MRI signal detection in extremely weak fields, on the order of Earth's magnetic field. SQUID detected MRI has advantages over high field MRI systems, such as the low cost required to build such a system, and its compactness. The principle has been demonstrated by imaging human extremities, and its future application may include tumor screening. Another application is the scanning SQUID microscope, which uses a SQUID immersed in liquid helium as the probe. The use of SQUIDs in oil prospecting, mineral exploration, earthquake prediction and geothermal energy surveying is becoming more widespread as superconductor technology develops; they are also used as precision movement sensors in a variety of scientific applications, such as the detection of gravitational waves. A SQUID is the sensor in each of the four gyroscopes employed on Gravity Probe B in order to test the limits of the theory of general relativity. SQUIDs constructed from super cooled niobium wire loops are used as the basis for D Wave Systems 2000Q quantum computer.

Датчики переходного края

Одно из наиболее распространенных применений SQUID — считывание информации со сверхпроводящих датчиков переходного края. В настоящее время сотни тысяч мультиплексированных SQUID, связанных с датчиками переходного края, используются для изучения космического микроволнового фона, в рентгеновской астрономии, для поиска темной материи, состоящей из слабо взаимодействующих массивных частиц, а также для спектроскопии на источниках синхротронного излучения.

Холодная темная материя

Усовершенствованные сверхпроводящие квантовые интерферометры (SQUID), известные как усилители, близкие к квантовому пределу, лежат в основе эксперимента по поиску аксионов как темной материи (ADMX) в Университете Вашингтона. Аксионы – один из основных кандидатов на роль холодной темной материи.

Предлагаемые виды использования

Существует потенциальное военное применение в противолодочной войне в качестве детектора магнитных аномалий (MAD), устанавливаемого на морские патрульные самолеты. SQUID используются в суперпарамагнитной релаксометрии (SPMR) – технологии, использующей высокую чувствительность SQUID-сенсоров к магнитным полям и суперпарамагнитные свойства наночастиц магнетита. Эти наночастицы являются парамагнитными; они не имеют магнитного момента до воздействия внешнего поля, при котором становятся ферромагнитными. После снятия намагничивающего поля наночастицы переходят из ферромагнитного состояния в парамагнитное, со временем релаксации, зависящим от размера частицы и наличия связи с внешней поверхностью. Измерение затухающего магнитного поля с помощью SQUID-сенсоров позволяет обнаруживать и локализовать наночастицы. Области применения SPMR могут включать диагностику рака.