کاربرد ابررسانا ها در مهندسی برق - الکترونیک

در ساخت مدارهای الکترونیکی از دو تکنولوژی عمده ترانزیستور و مدارهای مجتمع استفاده می‌شود که ابررساناها به یاری پدیده‌های مقاومت صفر و جوزفسون می‌توانند در هر دو مورد به کار روند.

ابررساناها ممکن است به صورت ماده‌ای ایده‌آل در ساخت اتصالات داخلی به‌کار روند. از آنجا که ابررساناها می‌توانند الکتریسیته را بدون هیچ مقاومتی از خود عبور دهند، به میزان قابل توجهی سبب کاهش اتلاف انرژی به صورت حرارت در مدارهای مجتمع و ترانزیستورها می‌گردند.

مواد ابررسانا مزیت‌های دیگری از جمله حذف مشکلات مربوط به تداخل میدان مغناطیسی در مدارهای مجتمع را دارا می‌باشند. مشکل عمدهای که بر سر راه استفاده از ابررساناهای جدید با دمای گذار بالا، وجود دارد، پایین بودن چگالی جریان عبوری J_CT در آنهاست. در مدارهای مجتمع، نیاز به چگالی جریان عبوری ١٠٠٠٠٠ آمپر بر سانتی‌متر مربع تا ١٠٠٠٠٠٠ آمپر بر سانتی متر مربع داریم. درحال حاضر، مواد ابررسانایی با دمای گذار بالایی که بتوانند چنین گستره‌ای از چگالی جریان را داشته باشند، در اختیار نداریم.

استفاده از ابررساناها با توجه به عدم اتلاف انرژی الکتریکی به شکل گرما و طرد میدان‌های مغناطیسی خارجی  و جلوگیری از تداخل چنین میدان‌هایی در مدارهای مجتمع می‌توانند بسیار مفید باشد.

مزیت ادوات الکترونیکی ابررسانایی به طور خلاصه عبارتند از:

·         عملکرد بسیار سریعتر

·        توان مصرفی بسیار کمتر

·        اندازه و حجم به‌مراتب کوچکتر.

IC (آی سی)های ابررسانایی

          امروزه با بکارگیری مواد ابررساناIC های بسیار سریعتری براساس کوانتمهای شار عبوری از حلقه‌های ابررسانا ساخته می‌شوند. این تکنولوژی RSFQ [1]نام دارد.

مزایای عمده این تکنولوژی را می‌توان بصورت ذیل برشمرد:

·        سرعت بالا(امکان کار در فرکانسهای بالا)

·        دقت زیاد(A/D های دقیق برای برقراری ارتباط میان حوزه‌های RF و دیجیتال)

·        توان مصرفی بسیار پایین

·        افزایش سرعت در مقابل کاهش حجم

پیوند جوزفسون

پیوندهای جوزفسون می‌توانند به عنوان کلیدهای قطع و وصل الکترونیکی که بر اساس تغییر در مقدار جریان کار می‌کنند، مورد استفاده قرار گیرند. سرعت عمل کلید زنی در آنها بسیار بیشتر از ترانزیستورها است و این مقدار می‌تواند حتی کمتر از ٢ پیکو ثانیه باشد.

پیوند جوزفسون مرتبط با پدیده تونل‌زنی می‌باشد. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که مثلا یک لایه نازک اکسید عایقی بین دو لایه ابررسانا قرار گیرد. بدین ترتیب جفت شدگی بین دو لایه ابررسانا به وجود می‌آید و جریان الکتریکی عبوری از قطعه اندازه‌گیری می‌شود. هنگامی که قطعه در معرض میدانهای مغناطیسی با شدتهای متفاوت قرار می‌گیرد، اندازه جریان الکتریکی ممکن است به سبب فرآیند تونل زنی[2] حامل‌های بار (الکترون‌ها) از داخل لایه اکسید تغییر نماید. با استفاده از این اثر می‌توان میدان‌های مغناطیسی بسیار ضعیف را شناسایی کرد چنانچه امروزه در اسکوئیدها از همین خاصیت استفاده می‌شود. در شکل زیر نمای ساده پیوند جوزفسون نمایش داده شده است.

 

کاربرد دیگر این وسیله به عنوان قطعه کلیدزن[3]، در مدارهای رایانه‌ای است چنانچه از این پیوند به عنوان ترانزیستور ابررسانایی در وسایل الکترونیکی استفاده می‌شود. یکی دیگر از موارد کاربرد ابررسانا در اسکوئید می‌باشد.

SQUID [4]را می‌توان وسایل تداخل کوانتومی ابررسانایی نامید که در حقیقت یک حلقه ابررسانا با چهار پایه است که ورودی جریان و خروجی ولتاژ را تامین می‌کند. دو نوع عمده SQUID ها:RF_SQUID و IF_ SQUID می‌باشند که حساسیتی حدود 10^-15*2 تسلا را دارا می‌باشند. آنها شبیه به مراحل ساخت ادوات نیمه رسانای سیلیکانی می‌باشد. در اسکوئیدها دو پدیده حائز اهمیت است:

·        اثر جوزفسون

·        کوانتیدگی شار مغناطیسی در حلقه ابررسانا

مفهوم کوانتومی بودن شار Ø₀ یعنی nØ₀=Ø که در آن n عدد صحیح می‌باشد چنین توجیه می‌شود اگر به یک حلقه ابررسانا میدان مغناطیسی خارجی اعمال کنیم سپس آنرا تا زیر دمای بحرانی سرد کنیم شار مغناطیسی در آن به تله می‌افتد یعنی اگر میدان مغناطیسی خارجی را حذف کنیم جریانی در حلقه ابررسانا به وجود می‌آید که مانع تغییر شار گذرنده از حلقه ابررسانا می‌شود. شار مغناطیسی گذرنده از حلقه چیزی جز حاصل‌ضرب سطحS در شدت H میدان عمودی نمی‌باشد. با توجه به مقاومت صفر حلقه ابررسانا جریان بر اثر مرور زمان کاهش نمی‌یابد این پدیده نقطه شروع کاربردهایی مثل SMES می‌باشد.

علاوه‌ بر این شار گیر افتاده فقط می‌تواند مقادیر معینی داشته باشد. این شار می‌تواند به صورت کوانتومی از پایه کوانتیده وجود داشته باشد.

شار مغناطیسی الزاما برابر با تعداد کل کوانتم‌ها است. این خصوصیت منحصر به‌فرد حلقه ابررساناها می‌باشد. حلقه SQUID به این صورت رفتار می‌کند که اگر شار خارجی افزایش یابد، شار مغناطیسیØ در حلقه کمی افزایش می‌یابد، جریان ابررسانایی حلقه نمی‌تواند میدان خارجی را کاملا بپوشاند، سپس در لحظه معینی این ابررسانایی از جریان بحرانی پیوند فراتر می‌رود، حلقه به حالت عادی می‌رود و یک کوانتم شار به درون حلقه نفوذ می‌کند، جریان پوششی به علت اینکه در حالت عادی در حلقه جریان دارد به شدت افت می‌کند، پیوند ضعیف دوباره به حالت ابررسانایی باز می‌گردد و حلقه دوباره شروع به مقاومت در برابر افزایش میدان مغناطیسی خارجی می‌کند.

وسایل اندازه‌گیری که بر اساس اسکوئیدها کار می‌کنند عبارتند از:

·        سنسورهای میدان مغناطیسی(مطالعه الکتریکی نوار قلبی و نوارهای مغزی)

·        مطالعه وضعیت جنین

·        ولتمترهای حساس، دماسنج‌های دمای پایین

·        آشکارسازهای تابش‌های الکترومغناطیس

---

[1] Rapid Single Flux Quantum

[2] Tunneling Effect

[3] Switch

[4] Superconductivity Quantum Interference Devices