Supraledaren i praktiken


För att kunna mäta strömmar och spänningar i något som är nära noll ohm behöver man en mätbrygga, en väl definierad liten provsträcka.

Mätbryggorna byggs upp på ett tunt isolerande substrat, ungefär som en halvledarchip. Bilden visar en av många mätbryggor som byggs upp på samma chip. Hela anordningen är supraledande i och med att den är uppbyggd av en supraledande film som är 0,3 μm tjock, lagd ovanpå ett substrat av lantan-aluminiumkristall. Bryggan avgränsas utåt av ett laserritat spår som är isolerande vid kryogenisk temperatur, genom att allt för många syreatomer tagits bort i YBCO-kristallen (se nedan). De fyra kontaktpunkterna av silver eller indium är i princip helt hopkortslutna, om det inte vore för den tunna kanalen i mitten. Det är den man mäter spänningsfallet över.

Varför måste man ha dubbla kontaktpar på var sida om kanalen? Man skickar på ström mellan de yttre kontaktparen och mäter mellan de inre. Men varför hade man inte lika gärna kunnat mäta mellan de yttre kontakterna och spara ett ledarpar ut från den kryogeniska kaviteten?

Det spelar ingen roll om kontaktytorna är av silver eller guld, det blir alltid ett litet spänningsfall över strömmatningskontakterna och i förhållande till ett mätobjekt som är nära noll ohm är varje spänningsfall gigantiskt och så skulle även mätfelet bli. Voltmetern har å andra sidan en inre resistans på många megaohm och då är en kontaktresistans på några mikroohm inte av betydelse.

Hur virvelkanalen tillverkas, diskuteras mera nedan.

Så här kopplas provet in. Allting befinner sig i ett förslutet dewarkärl med flytande kväve, såväl supraledaren som ena lödstället på ett termoelement, medan termoelementets andra lödställe befinner sig ute i fria luften. Ledarna som för in ström och tar upp mätvärden är partvinnade för att minska mängden störningar. Dewarkärlet, som är av metall, bidrar givetvis till skärmningen. Voltmätarna väldigt känsliga, med en noggrannhet på 100 nV, så förförstärkare behövs inte. Alla mätvärden och inställningar överförs till mätdatorn via GPIB-buss och bearbetas i Labview för att ge färdiga ström-spänningsdiagram.

Mätbryggans ström-spänningskaraktäristik är olinjär och ser ut som en trappa.

Varje steg i kurvan innebär att ytterligare ett virvel-antivirvelpar bildas och annihileras per tidsenhet. När strömmen ökas, ökar magnetfältet och virvlarna knökas ihop tätare i det givna området som kanalen innebär, men en ny fluxon bildas inte förrän strömmen ökat tillräckligt för att räcka till för en ny sådan. Det uppstår alltså tydliga steg i spänningskurvan för varje ny fluxon som bildas.

Diagrammet ovan visar ström-spänningskarakteristiken för en YBCO-enhet bestående av en enda kanal med måtten 0,3 x 50 x 100 μm. Kurvan uppmättes vid T = 0,959 Tc. Spänningsstegen Ust uppstår när ytterligare en virvel och en antivirvel bildas i kanalen och virvlarnas hastighet längs kanalen ökar. Ser du det fina? Fantastiskt små steg i magnetfält (= strömsteg om cirka 8 mikroampere) ger tydligt urskiljbara spänningssteg! Genom att bygga ett antal kanaler i en matris skulle man kunna skapa en ytterst känslig magnetfältskamera med känsligheter kring ett enda flödeskvantum, FI0.

Nu är 10 μV inte särskilt mycket spänning, men man kan laserrita flera spår bredvid varandra, låt oss säga 100 stycken. Det gör inte anordningen känsligare, för man kan inte mäta mindre än en fluxon. Men spänningssteget blir 100 gånger större, 1 mV med samma ström. Inte nog med det. Man skulle kunna ha flera enheter med olika Tc tillsammans så att de kunde agera temperatursensorer också. Då skulle man kunna uppnå upplösningar i stil med 10E-4 K och resistansen kunde tänkas ändras från 10 ohm till noll inom 0,1 K.

När supraledarkretsen kommer från tillverkningen i kemiinstitutionen får Arturas den i ett litet provrör som det på bilden.

Knackar man ut den lilla flisan ur provröret och lägger den på mikroskopets bord ser den ut så här. Den är inte mer än cirka 5x5 millimeter. Du ser de dubbla elektrodparen av silver som lite ljusare plättar än det mörkare YBCO-materialet runt omkring. Mellan dem kan du också skönja de något mörkare laserritade kanalerna. Den vita ramen har jag ritat dit i efterhand för att du tydligt ska se vad som utgör en mätbrygga. Substratet ser ut att vara av glas, men det är alltså en lantan-aluminiumkristall.

Den magnetoptiska mikroskopbilden verifierar att kanalen finns och fungerar. Bilden är tagen vid en temperatur på 0,658 x Tc och med ett penetrerande magnetfält på 0,028 tesla. Men ser tydligt att magnetfältet lättare penetrerar själva kanalen än områdena runt omkring. Där det är mörkt på bilden, penetrerar fältet inte alls, dvs meissnereffekten råder.

Bilden är tagen i ljusmikroskop och det supraledande provet har täckts med ett material som förändrar sin polarisation beroende på hur starkt magnetfältet är. Därefter belyser man provet med polariserat ljus och ser var man får reflektion från provets yta.

Sida 2 / 5

Innehållsförteckning