Magnetómetro SQUID

El dispositivo de interferencia cuántica de superconducción (en inglés SQUID), consiste en dos superconductores separados por finas capas aislantes, que forman dos uniones Josephson paralelas. El dispositivo se puede configurar como un magnetómetro para detectar campos magnéticos increiblemente pequeños, suficientemente pequeños para medir campos magnéticos de organismos vivos. Los SQUIDs se han usado para medir campos magnéticos del cerebro del ratón, e investigar si habría suficiente magnetismo para atribuir su capacidad de navegación a una brújula interna.

La gran sensibilidad de los aparatos SQUID, tiene que ver con los cambios medidos en el campo magnético asociado con un flujo cuántico. Uno de los descubrimiento asociados con las uniones Josephson, fué que el flujo está cuantizado en unidades.

Si en un dispositivo SQUID se mantiene una corriente constante de polarización, el voltaje medido oscila con los cambios de fase en las dos uniones, los cuales, dependen de la variación del flujo magnético. El conteo de las oscilaciones, permite evaluar el cambio de flujo que se ha producido.

Aparatos Josephson

Los dispositivos basados en las características de una unión Josephson, son valiosos en los circuitos de alta velocidad. Las uniones Josephson pueden ser diseñadas para un tiempo de conmutación de unos pocos picosegundos. Su baja disipación de potencia, lo hacen útiles en los circuitos de ordenador de alta densidad, donde el calentamiento resistivo limita la aplicabilidad de los interruptores convencionales.

Las uniones Josephson paralelas, se usan en los dispositivos SQUID, para la detección de campos magnéticos diminutos.

Unión Josephson

Dos superconductores separados por una delgada capa aislante, pueden experimentar un efecto túnel en los pares Cooper de electrones a través de la unión. Los pares Cooper en cada lado de la unión pueden ser representados por una función de onda similar a la función de onda de partícula libre. Por el efecto Josephson de DC, en la unión y en ausencia de tensión, puede fluir una corriente proporcional a la diferencia de fase de las funciones de onda. Por el efecto Josephson, una unión Josephson oscilará con una frecuencia característica que es proporcional al voltaje a través de la unión. Dado que las frecuencias se pueden medir con gran precisión, el dispositivo de unión Josephson se ha convertido en la medida estándar de voltaje.

La función de onda que describe un par Cooper de electrones en un superconductor, es un exponencial al igual que la función de onda de partícula libre. De hecho, todos los pares Cooper en un superconductor en ausencia de corriente, pueden ser descritos por una función de onda única, debido a que todos los pares tienen la misma fase -se dice que están en "fase coherente" (Clarke)-. Si dos superconductores están separados por una delgada capa aislante, entonces en los pares Cooper pueden ocurrir el efecto túnel de la mecánica cuántica, sin romper los pares. Clarke contempla esta condición como las funciones de onda de los pares Cooper en cada lado de la unión, penetrando en la región aislante y "acoplándose" en fase. Bajo estas condiciones, fluirá una corriente a través de la unión en ausencia de un voltaje aplicado (efecto Josephson DC).

Medidor Estándar de Voltaje Josephson

Cuando se aplica un voltaje DC a una unión Josephson, ocurre una oscilación de frecuencia

en la unión. Como esta relación entre el voltaje y la frecuencia involucra solamente a las constantes fundamentales, y puesto que la frecuencia se puede medir con extrema precisión, la unión Josephson se ha convertido en el medidor de voltaje estándar.

Estos medidores estándares de unión Josephson pueden generar voltajes con una precisión de una parte en 10¹⁰. NIST ha fabricado un chip con 19000 uniones en serie, para medir voltajes del orden de 10 voltios, con esta precisión.

El Voltio Estándar

El voltio estándar se define ahora en términos de un oscilador de unión Josephson. La frecuencia de oscilación de una unión Josephson está dada por

de modo que la relación entre la frecuencia y el voltaje a través de la unión, depende solamente de las constantes fundamentales e y h. Para un microvoltio aplicado a la unión, la frecuencia es

El voltio estándar se define ahora como el volaje necesario para producir una frecuencia de 483.597,9 GHz.