SQUID

SQUID CC

A quantização do fluxo magnético em anéis supercondutores foi observada experimentalmente em 1961 por Bascom S. Deaver Jr. e William M. Fairbank e, de forma independente, por Robert Doll e Martin Näbauer.

O SQUID CC foi inventado em 1964 por Robert Jaklevic, John J. Lambe, James Mercereau e Arnold Silver, dos laboratórios de pesquisa da Ford, depois que Brian Josephson postulou o efeito Josephson em 1962 e a primeira junção Josephson foi produzida por John Rowell e Philip Anderson, nos Bell Labs, em 1963. Ele possui duas junções Josephson em paralelo dentro de um laço supercondutor e se baseia no efeito Josephson de corrente contínua.

Na ausência de um campo magnético externo, a corrente de entrada ${\displaystyle I}$ se divide igualmente entre os dois ramos. Quando um pequeno campo magnético externo é aplicado ao laço supercondutor, uma corrente de blindagem, ${\displaystyle I_{s}}$, começa a circular pelo laço e gera um campo magnético que cancela o fluxo externo aplicado. Isso cria uma fase Josephson adicional proporcional ao fluxo magnético externo. A corrente induzida tem o mesmo sentido de ${\displaystyle I}$ em um dos ramos do laço supercondutor e sentido oposto no outro. A corrente total passa a ser ${\displaystyle I/2+I_{s}}$ em um ramo e ${\displaystyle I/2-I_{s}}$ no outro. Assim que a corrente em qualquer um dos ramos ultrapassa a corrente crítica, ${\displaystyle I_{c}}$, da junção Josephson, surge uma tensão através da junção.

Suponha então que o fluxo externo continue aumentando até ultrapassar ${\displaystyle \Phi _{0}/2}$, metade do quantum de fluxo magnético. Como o fluxo contido pelo laço supercondutor deve ser um número inteiro de quanta de fluxo, em vez de blindar o fluxo, o estado energeticamente preferível do SQUID passa a ser elevá-lo a ${\displaystyle \Phi _{0}}$. A corrente passa a fluir no sentido oposto, contrariando a diferença entre o fluxo admitido ${\displaystyle \Phi _{0}}$ e o campo externo ligeiramente superior a ${\displaystyle \Phi _{0}/2}$. A corrente diminui à medida que o campo externo aumenta, torna-se zero quando o fluxo é exatamente ${\displaystyle \Phi _{0}}$ e volta a inverter o sentido quando o campo externo aumenta ainda mais. A corrente muda periodicamente de sentido a cada incremento do fluxo por um múltiplo semi-inteiro adicional de ${\displaystyle \Phi _{0}}$, com uma mudança na corrente máxima a cada múltiplo semi-inteiro de ${\displaystyle \Phi _{0}}$ e corrente zero a cada múltiplo inteiro.

Se a corrente de entrada for maior que ${\displaystyle I_{c}}$, o SQUID funcionará sempre no modo resistivo. Nesse caso, a tensão é uma função do campo magnético aplicado, com período igual a ${\displaystyle \Phi _{0}}$. Como a característica corrente-tensão do SQUID CC é histerética, uma resistência de derivação ${\displaystyle R}$ é ligada em paralelo com a junção para eliminar a histerese. Nos supercondutores de alta temperatura à base de óxidos de cobre, a resistência intrínseca da própria junção geralmente é suficiente. A corrente de blindagem corresponde ao fluxo aplicado dividido pela autoindutância do anel. ${\displaystyle \Delta \Phi }$ pode ser estimado como função de ${\displaystyle \Delta V}$, funcionando como conversor de fluxo em tensão:

${\displaystyle \Delta V=R\cdot \Delta I}$

${\displaystyle 2\cdot \Delta I=2\cdot {\frac {\Delta \Phi }{L}}}$, em que ${\displaystyle L}$ é a autoindutância do anel supercondutor

${\displaystyle \Delta V={\frac {R}{L}}\cdot \Delta \Phi }$

A explicação acima pressupõe uma quantização perfeita do fluxo no laço. Isso só ocorre em laços grandes com autoindutância elevada. Pelas relações anteriores, essa condição implica pequenas variações de corrente e tensão. Na prática, a autoindutância ${\displaystyle L}$ do laço não é tão grande. O caso geral pode ser analisado introduzindo-se o parâmetro

${\displaystyle \lambda ={\frac {i_{c}L}{\Phi _{0}}}}$

em que ${\displaystyle i_{c}}$ é a corrente crítica do SQUID. Em geral, ${\displaystyle \lambda }$ é da ordem de um.

Como a relação entre tensão e fluxo é periódica em ${\displaystyle \Phi _{0}}$, uma leitura direta se torna ambígua quando a variação de fluxo ultrapassa um período. Instrumentos práticos usam uma malha de realimentação de fluxo, chamada de flux-locked loop (FLL), que aplica por uma bobina um fluxo de compensação oposto ao sinal de entrada e mantém o SQUID perto de um ponto fixo de sua curva tensão-fluxo. A realimentação lineariza a resposta e amplia a faixa dinâmica.

Uma bobina de entrada pode ser acoplada à indutância do laço e transferir para ele o fluxo produzido por uma corrente externa. Com esse acoplamento e a realimentação, o SQUID pode funcionar como sensor de corrente ou como conversor corrente-tensão de baixo ruído. Essa configuração é usada em amplificação de sinais e na leitura de detectores criogênicos.

SQUID RF

O SQUID RF com uma única junção foi desenvolvido em 1965 por Arnold Silver e James Edward Zimmerman, no laboratório científico da Ford. Ele se baseia no efeito Josephson de corrente alternada e utiliza apenas uma junção Josephson. É menos sensível que o SQUID CC, mas é mais barato e mais simples de fabricar em pequenas quantidades. A maior parte das medições fundamentais em biomagnetismo, inclusive de sinais extremamente pequenos, foi feita com SQUIDs RF.

O SQUID RF é acoplado indutivamente a um circuito tanque ressonante. Dependendo do campo magnético externo, enquanto o SQUID funciona no modo resistivo, a indutância efetiva do circuito tanque varia e altera sua frequência de ressonância. Essas frequências podem ser medidas, e as perdas que surgem como tensão no resistor de carga do circuito são uma função periódica do fluxo magnético aplicado, com período ${\displaystyle \Phi _{0}}$. Uma descrição matemática precisa encontra-se no artigo original de Erné e colaboradores.

Materiais utilizados

A maior parte dos SQUIDs é produzida como circuito de filme fino. A fabricação reúne a deposição das camadas supercondutoras, a definição dos padrões do circuito e a formação das junções Josephson, podendo envolver fotolitografia e outras técnicas de microfabricação.

Os materiais supercondutores tradicionais empregados em SQUIDs são nióbio puro ou uma liga de chumbo com 10% de ouro ou índio, pois o chumbo puro é instável quando sua temperatura varia repetidamente. Para manter a supercondutividade, todo o dispositivo precisa funcionar a poucos graus do zero absoluto, sendo resfriado com hélio líquido.

Sensores SQUID de alta temperatura foram desenvolvidos no fim da década de 1980. Eles são feitos de supercondutores de alta temperatura, em especial YBCO, e resfriados com nitrogênio líquido, que é mais barato e mais simples de manusear que o hélio líquido. São menos sensíveis que os SQUIDs convencionais de baixa temperatura, mas têm sensibilidade suficiente para muitas aplicações.

Em 2006, foi apresentada uma prova de conceito para sensores CNT-SQUID construídos com um laço de alumínio e uma junção Josephson formada por um nanotubo de carbono de parede única. Os sensores medem algumas centenas de nanômetros e funcionam a 1 K ou menos. Sensores desse tipo permitem contar spins.

Em 2022, foi construído um SQUID em grafeno bicamada torcido em ângulo mágico, conhecido pela sigla MATBG.

Magnetômetro SQUID

Um uso comum dos SQUIDs é a magnetometria, na qual a magnetização de materiais macroscópicos é medida em função de parâmetros externos, como temperatura, campo magnético e pressão. Há sistemas comerciais capazes de realizar medições em temperaturas entre 300 mK e 400 K e em campos magnéticos de até 7 T. Nesses sistemas, uma amostra é deslocada por um conjunto de bobinas captadoras acopladas ao sensor SQUID. Essa configuração permite medir o fluxo magnético Φ dentro das bobinas captadoras ajustando uma chamada função dipolar ao sinal registrado em função da posição da amostra em relação às bobinas. Como Φ é proporcional ao momento magnético da amostra, μ, a proporcionalidade exata é determinada por uma amostra de calibração com momento conhecido, μ_calib.

Na prática, a bobina captadora possui enrolamentos em uma configuração de gradiômetro, geralmente de segunda ordem, que mede a derivada espacial do momento em vez do próprio momento. Isso ocorre porque os sinais de ruído ambiental são espacialmente mais homogêneos que o sinal da amostra e podem ser filtrados com maior eficiência.

Na saúde

A extrema sensibilidade dos SQUIDs permite seu uso em estudos biológicos. A magnetoencefalografia (MEG), por exemplo, utiliza medições feitas por um conjunto de SQUIDs para inferir a atividade neuronal no cérebro. Como os SQUIDs podem funcionar com taxas de aquisição muito superiores à maior frequência temporal de interesse dos sinais emitidos pelo cérebro, na faixa de kHz, a MEG apresenta boa resolução temporal. Outra aplicação é a magnetogastrografia, dedicada ao registro dos campos magnéticos fracos produzidos pelo estômago. O monitoramento por marcadores magnéticos é usado para acompanhar o percurso de medicamentos administrados por via oral. Em ambiente clínico, os SQUIDs são empregados em cardiologia na imagem de campo magnético (MFI), que detecta o campo magnético do coração para diagnóstico e estratificação de risco.

Os SQUIDs são usados como detectores em imagem por ressonância magnética (IRM). Enquanto a IRM de alto campo utiliza campos de precessão de um a alguns teslas, a IRM detectada por SQUID utiliza campos de medição na faixa dos microteslas. Em um sistema convencional de IRM, o sinal varia com o quadrado da frequência de medição e, por consequência, do campo de precessão. Um dos fatores de frequência vem da polarização térmica dos spins à temperatura ambiente e o segundo decorre do fato de a tensão induzida na bobina captadora ser proporcional à frequência da magnetização em precessão. Na detecção não sintonizada por SQUID de spins previamente polarizados, porém, a intensidade do sinal de ressonância magnética nuclear independe do campo de precessão. Isso permite detectar o sinal de IRM em campos extremamente fracos, da ordem do campo magnético terrestre. A IRM detectada por SQUID pode ser construída a custo menor e em sistemas mais compactos que os aparelhos de alto campo. O princípio foi demonstrado por meio de imagens de extremidades humanas, e uma possível aplicação futura é o rastreamento de tumores.

Sensores de borda de transição

Um dos maiores usos dos SQUIDs é a leitura de sensores supercondutores de borda de transição. Centenas de milhares de SQUIDs multiplexados e acoplados a esses sensores são empregados no estudo da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, em astronomia de raios-X, em buscas por matéria escura formada por partículas massivas que interagem fracamente e em espectroscopia em fontes de luz síncrotron.

Na física

Outra aplicação é o microscópio SQUID de varredura, que utiliza como sonda um SQUID imerso em hélio líquido. À medida que os sensores SQUID diminuem de tamanho, eles podem ser instalados na ponta de uma sonda de microscópio de força atômica. Esse dispositivo permite medir simultaneamente a rugosidade da superfície de uma amostra e o fluxo magnético local.

SQUIDs são empregados em ensaios não destrutivos de materiais e estruturas. Sistemas desse tipo podem detectar defeitos em peças metálicas e estudar alterações magnéticas produzidas por trincas, corrosão e outras descontinuidades.

O uso de SQUIDs na prospecção de petróleo, na exploração mineral, na previsão de terremotos e em levantamentos para energia geotérmica tem se tornado mais frequente à medida que a tecnologia dos supercondutores se desenvolve. Os SQUIDs são usados como sensores de movimento de alta precisão em aplicações científicas, entre elas a detecção de ondas gravitacionais. Um SQUID é o sensor de cada um dos quatro giroscópios utilizados pela Gravity Probe B para testar os limites da teoria da relatividade geral.

SQUIDs avançados chamados amplificadores SQUID próximos do limite quântico formam a base do Axion Dark Matter Experiment (ADMX), na Universidade de Washington. Os áxions são um dos principais candidatos a constituir a matéria escura fria.

Um SQUID CC polarizado por RF foi empregado na primeira observação do efeito Casimir dinâmico.

SQUIDs construídos com laços de fio de nióbio super-resfriado são usados como base do computador quântico D-Wave 2000Q, da D-Wave Systems.

Usos propostos

Existe uma possível aplicação militar na guerra antissubmarino, na qual um SQUID funcionaria como detector de anomalia magnética instalado em uma aeronave de patrulha marítima.

SQUIDs são usados em relaxometria superparamagnética (SPMR), uma tecnologia que emprega a elevada sensibilidade dos sensores SQUID a campos magnéticos e as propriedades superparamagnéticas de nanopartículas de magnetita. Essas nanopartículas são paramagnéticas e não apresentam momento magnético até serem expostas a um campo externo, quando se tornam ferromagnéticas. Após a remoção do campo magnetizante, elas passam do estado ferromagnético para o paramagnético, com uma constante de tempo que depende do tamanho das partículas e de estarem ou não ligadas a uma superfície externa. A medição do campo magnético em decaimento por sensores SQUID é usada para detectar e localizar as nanopartículas. Entre as possíveis aplicações da SPMR está a detecção de câncer.