Perangkat Superkonduktor

Perangkat superkonduktor, meskipun tidak banyak digunakan, memiliki beberapa karakteristik unik yang tidak tersedia dalam perangkat semikonduktor standar. Sensitivitas tinggi sehubungan dengan amplifikasi sinyal listrik, deteksi medan magnet, dan deteksi cahaya adalah aplikasi yang berharga. Perpindahan kecepatan tinggi juga dimungkinkan, meskipun tidak diterapkan pada komputer saat ini. Perangkat superkonduktor konvensional harus didinginkan hingga beberapa derajat 0 Kelvin (-273 ^o C). Padahal, pekerjaan sedang berlangsung saat ini pada superkonduktor suhu tinggi perangkat berbasis, dapat digunakan pada 90 K dan di bawah. Ini penting karena nitrogen cair yang murah dapat digunakan untuk pendinginan.

Perangkat Superkonduktor

Superkonduktivitas

Superkonduktivitas: Heike Onnes menemukan superkonduktivitas dalam merkuri (Hg) pada tahun 1911, di mana ia memenangkan hadiah Nobel. Kebanyakan logam menurunkan hambatan listrik dengan penurunan suhu. Padahal, sebagian besar tidak turun ke resistansi nol saat mendekati 0 Kelvin. Merkuri unik karena resistansinya tiba-tiba turun ke nol pada 4,2 K. Superkonduktor kehilangan semua resistansinya secara tiba-tiba ketika didinginkan di bawah suhu kritisnya, T _c Sifat superkonduktivitas adalah tidak ada rugi daya dalam konduktor. Arus dapat mengalir dalam lingkaran kawat superkonduktor selama ribuan tahun. Super konduktor termasuk timbal (Pb), aluminium, (Al), timah (Sn) dan niobium (Nb).

Pasangan Cooper

Pasangan Cooper: Konduksi lossless dalam superkonduktor tidak dengan aliran elektron biasa. Aliran elektron dalam konduktor normal menghadapi pertentangan sebagai tumbukan dengan kisi kristal logam ionik yang kaku. Penurunan vibrasi kisi kristal dengan penurunan suhu menyebabkan penurunan resistensi– hingga suatu titik. Getaran kisi berhenti pada nol mutlak, tetapi tidak menghilangkan energi tumbukan elektron dengan kisi. Dengan demikian, konduktor normal tidak kehilangan semua hambatan pada nol mutlak.

Elektron dalam superkonduktor membentuk sepasang elektron yang disebut pasangan tembaga , karena suhu turun di bawah suhu kritis di mana superkonduktivitas dimulai. Pasangan tembaga ada karena berada pada tingkat energi yang lebih rendah daripada elektron yang tidak berpasangan. Elektron tertarik satu sama lain karena pertukaran fonon , partikel energi yang sangat rendah terkait dengan getaran. Pasangan tembaga ini, entitas mekanika kuantum (partikel atau gelombang) tidak tunduk pada hukum fisika normal. Entitas ini merambat melalui kisi tanpa bertemu dengan ion logam yang menyusun kisi tetap. Dengan demikian, tidak ada energi yang terbuang. Sifat mekanika kuantum dari pasangan tembaga hanya memungkinkannya untuk menukar sejumlah energi yang terpisah, bukan jumlah yang berubah-ubah secara kontinu. Kuantum energi minimum mutlak dapat diterima oleh pasangan tembaga. Jika energi vibrasi kisi kristal lebih kecil (karena suhu rendah), pasangan tembaga tidak dapat menerimanya, tidak dapat dihamburkan oleh kisi. Jadi, di bawah suhu kritis, pasangan tembaga mengalir tanpa hambatan melalui kisi.

Josephson Junction dan Transistor

Persimpangan Josephson: Brian Josephson memenangkan hadiah Nobel untuk prediksi tahun 1962 tentang Josepheson junction . Sebuah persimpangan Josephson adalah sepasang superkonduktor dijembatani oleh isolator tipis, seperti pada Gambar di bawah (a), di mana elektron dapat terowongan. Persimpangan Josephson pertama adalah superkonduktor timbal yang dijembatani oleh isolator. Hari-hari ini tri-lapisan aluminium dan niobium lebih disukai. Elektron dapat menembus isolator bahkan dengan tegangan nol diterapkan di seluruh superkonduktor.

Jika tegangan diterapkan di persimpangan, arus berkurang dan berosilasi pada frekuensi tinggi sebanding dengan tegangan. Hubungan antara tegangan dan frekuensi yang diterapkan sangat tepat sehingga volt standar sekarang didefinisikan dalam frekuensi osilasi persimpangan Josephson. Persimpangan Josephson juga dapat berfungsi sebagai detektor medan magnet tingkat rendah yang sangat sensitif. Ia juga sangat sensitif terhadap radiasi elektromagnetik dari gelombang mikro hingga sinar gamma.

(a) persimpangan Josephson, (b) transistor Josephson.

Transistor Josephson: Elektroda yang dekat dengan oksida sambungan Josephson dapat mempengaruhi sambungan dengan kopling kapasitif. Rakitan seperti pada Gambar di atas (b) adalah transistor Josephson. Fitur utama transistor Josephson adalah disipasi daya rendah yang berlaku untuk sirkuit kepadatan tinggi, misalnya, komputer. Transistor ini umumnya merupakan bagian dari perangkat superkonduktor yang lebih kompleks seperti SQUID atau RSFQ.

Perangkat Interferensi Kuantum Superkonduktor (SQUID)

SQUID: Perangkat interferensi kuantum superkonduktor atau SQUID adalah perakitan persimpangan Josephson dalam cincin superkonduktor. Hanya DC SQUID yang dipertimbangkan dalam diskusi ini. Perangkat ini sangat sensitif terhadap medan magnet tingkat rendah.

Bias arus konstan dipaksa melintasi cincin secara paralel dengan kedua persimpangan Josephson pada Gambar di bawah. Arus terbagi rata antara dua persimpangan tanpa adanya medan magnet yang diterapkan dan tidak ada tegangan yang dikembangkan melintasi cincin. [JBc] Sementara nilai fluks magnet (Φ) dapat diterapkan ke SQUID, hanya nilai terkuantisasi (kelipatan dari kuanta fluks) yang dapat mengalir melalui lubang di cincin superkonduktor.[JBa] Jika fluks yang diterapkan tidak kelipatan tepat dari kuanta fluks, fluks berlebih dibatalkan oleh arus yang bersirkulasi di sekitar cincin yang menghasilkan kuanta fluks pecahan. Arus yang bersirkulasi akan mengalir ke arah itu yang membatalkan setiap fluks berlebih di atas kelipatan kuanta fluks. Ini dapat menambah atau mengurangi fluks yang diterapkan, hingga ± (1/2) kuanta fluks. Jika arus sirkulasi mengalir searah jarum jam, arus menambah persimpangan Josephson atas dan mengurangi dari yang lebih rendah. Mengubah fluks yang diterapkan secara linier menyebabkan arus sirkulasi bervariasi sebagai sinusoid.[JBb] Ini dapat diukur sebagai tegangan melintasi SQUID. Saat medan magnet yang diterapkan meningkat, pulsa tegangan dapat dihitung untuk setiap peningkatan oleh kuanta fluks.[HYP]

Perangkat interferensi kuantum superkonduktor (SQUID):Pasangan persimpangan Josephson dalam cincin superkonduktor. Perubahan fluks menghasilkan variasi tegangan pada pasangan JJ.

SQUID dikatakan sensitif terhadap 10 ^-14 Tesla, Dapat mendeteksi medan magnet arus saraf di otak pada 10 ^-13 Tesla. Bandingkan ini dengan 30 x 10 ^-6 Kekuatan Tesla dari medan magnet bumi.

Quantum Fluks Tunggal Cepat (RSFQ)

Kuantum fluks tunggal cepat (RSFQ): Daripada meniru sirkuit semikonduktor silikon, sirkuit RSFQ mengandalkan konsep baru:kuantisasi fluks magnet dalam superkonduktor dan pergerakan kuanta fluks menghasilkan pulsa tegangan terkuantisasi picosecond. Fluks magnet hanya bisa ada di dalam bagian superkonduktor yang terkuantisasi dalam kelipatan diskrit. Kuanta fluks terendah yang diizinkan digunakan. Pulsa diaktifkan oleh persimpangan Josephson bukan transistor konvensional. Superkonduktor didasarkan pada tiga lapis aluminium dan niobium dengan suhu kritis 9,5 K, didinginkan hingga 5 K.

RSQF beroperasi pada lebih dari 100 GHz dengan disipasi daya yang sangat kecil. Pembuatannya sederhana dengan teknik fotolitografi yang ada. Padahal, operasi membutuhkan pendinginan hingga 5 K . Aplikasi komersial dunia nyata termasuk konverter analog-ke-digital dan digital ke analog, flip-flop sakelar, register geser, memori, penambah, dan pengganda.[DKB]

Superkonduktor Suhu Tinggi

Superkonduktor suhu tinggi: Superkonduktor suhu tinggi adalah senyawa yang menunjukkan superkonduktivitas di atas titik didih nitrogen cair 77 K. Hal ini penting karena nitrogen cair sudah tersedia dan tidak mahal. Kebanyakan superkonduktor konvensional adalah logam; superkonduktor suhu tinggi yang banyak digunakan adalah cuprates , campuran oksida tembaga (Cu), misalnya YBa₂ Cu₃ O_7-x , suhu kritis, T_c =90 K. Daftar lainnya tersedia.[OXFD] Sebagian besar perangkat yang dijelaskan di bagian ini sedang dikembangkan dalam versi superkonduktor suhu tinggi untuk aplikasi yang kurang kritis. Meskipun tidak memiliki kinerja seperti perangkat superkonduktor logam konvensional, pendingin nitrogen cair lebih tersedia.

TINJAUAN:

• Kebanyakan logam menurunkan resistansi saat mendekati 0 absolut; meskipun, resistansi tidak turun ke 0. Superkonduktor mengalami penurunan cepat hingga resistansi nol pada suhu kritisnya saat didinginkan. Biasanya T_c berada dalam jarak 10 K dari nol mutlak.
• Pasangan Cooper, pasangan elektron, entitas mekanika kuantum, bergerak tanpa hambatan melalui kisi kristal logam.
• Elektron dapat menembus melalui persimpangan Josephson, celah isolasi di sepasang superkonduktor.
• Penambahan elektroda ketiga, atau gerbang, di dekat persimpangan merupakan transistor Josephson.
• SQUID, perangkat interferensi kuantum superkonduktor, adalah pendeteksi medan magnet yang sangat sensitif. Alat ini menghitung satuan kuantum medan magnet di dalam cincin superkonduktor.
• RSFQ, Kuantum fluks tunggal cepat adalah perangkat switching berkecepatan tinggi berdasarkan switching kuanta magnetik yang ada dalam loop superkonduktor.
• Superkonduktor suhu tinggi, T_c di atas titik didih nitrogen cair, juga dapat digunakan untuk membuat perangkat superkonduktor di bagian ini.