CALAMAR

El SQUID de CC fue inventado en 1964 por Robert Jaklevic, John J. Lambe, James Mercereau y Arnold Silver de los Laboratorios de Investigación de Ford ^{[ 3 ]} después de que Brian Josephson postulara el efecto Josephson en 1962, y la primera unión Josephson fue fabricada por John Rowell y Philip Anderson en los Laboratorios Bell en 1963. ^{[ 4 ]} Tiene dos uniones Josephson en paralelo en un bucle superconductor. Se basa en el efecto Josephson de CC. En ausencia de cualquier campo magnético externo, la corriente de entrada${\displaystyle I}$se divide en dos ramas iguales. Si se aplica un pequeño campo magnético externo al bucle superconductor, se genera una corriente de apantallamiento.${\displaystyle I_{s}}$, comienza a circular el bucle que genera el campo magnético cancelando el flujo externo aplicado, y crea una fase Josephson adicional que es proporcional a este flujo magnético externo. ^{[ 5 ]} La corriente inducida está en la misma dirección que${\displaystyle I}$en una de las ramas del bucle superconductor, y es opuesto a${\displaystyle I}$en la otra rama; la corriente total se convierte en${\displaystyle I/2+I_{s}}$en una rama y${\displaystyle I/2-I_{s}}$en el otro. Tan pronto como la corriente en cualquiera de las ramas exceda la corriente crítica,${\displaystyle I_{c}}$En la unión de Josephson , aparece un voltaje a través de la unión.

Ahora supongamos que el flujo externo se incrementa aún más hasta que supera${\displaystyle \Phi _{0}/2}$, la mitad del cuanto de flujo magnético . Dado que el flujo encerrado por el bucle superconductor debe ser un número entero de cuantos de flujo, en lugar de apantallar el flujo, el SQUID ahora prefiere energéticamente aumentarlo a${\displaystyle \Phi _{0}}$. La corriente ahora fluye en la dirección opuesta, oponiéndose a la diferencia entre el flujo admitido${\displaystyle \Phi _{0}}$y el campo externo de poco más${\displaystyle \Phi _{0}/2}$La corriente disminuye a medida que aumenta el campo externo, y es cero cuando el flujo es exactamente${\displaystyle \Phi _{0}}$y vuelve a invertir su dirección a medida que el campo externo aumenta aún más. Por lo tanto, la corriente cambia de dirección periódicamente, cada vez que el flujo aumenta en un múltiplo semi-entero adicional de${\displaystyle \Phi _{0}}$, con un cambio en el amperaje máximo cada medio más un múltiplo entero de${\displaystyle \Phi _{0}}$y a cero amperios cada múltiplo entero.

Si la corriente de entrada es mayor que${\displaystyle I_{c}}$, entonces el SQUID siempre opera en modo resistivo. El voltaje, en este caso, es por lo tanto una función del campo magnético aplicado y el período es igual a${\displaystyle \Phi _{0}}$. Dado que la característica corriente-tensión del SQUID de CC es histerética, una resistencia en paralelo,${\displaystyle R}$Se conecta a través de la unión para eliminar la histéresis (en el caso de superconductores de alta temperatura basados ​​en óxido de cobre , la resistencia intrínseca de la unión suele ser suficiente). La corriente de apantallamiento es el flujo aplicado dividido por la autoinductancia del anillo. Por lo tanto,${\displaystyle \Delta \Phi }$puede estimarse como la función de${\displaystyle \Delta V}$(convertidor de flujo a voltaje) ^{[ 6 ] [ 7 ]} de la siguiente manera:

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

${\displaystyle 2\cdot \Delta I=2\cdot {\frac {\Delta \Phi }{L}}}$, dónde${\displaystyle L}$es la autoinductancia del anillo superconductor

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

La discusión en esta sección asumió una cuantización de flujo perfecta en el bucle. Sin embargo, esto solo es cierto para bucles grandes con una gran autoinductancia. Según las relaciones dadas anteriormente, esto implica también pequeñas variaciones de corriente y voltaje. En la práctica, la autoinductancia${\displaystyle L}$del bucle no es tan grande. El caso general se puede evaluar introduciendo un parámetro

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

dónde${\displaystyle i_{c}}$es la corriente crítica del SQUID. Normalmente${\displaystyle \lambda }$es de orden uno. ^{[ 8 ]}

El RF SQUID fue inventado en 1967 por Robert Jaklevic, John J. Lambe, James E. Mercereau, Arnold Silver y James Edward Zimmerman en Ford. ^{[ 7 ]} Se basa en el efecto Josephson de CA y utiliza solo una unión Josephson. Es menos sensible en comparación con el DC SQUID, pero es más barato y fácil de fabricar en cantidades más pequeñas. La mayoría de las mediciones fundamentales en biomagnetismo , incluso de señales extremadamente pequeñas, se han realizado utilizando RF SQUID. ^{[ 9 ] [ 10 ]} El RF SQUID está acoplado inductivamente a un circuito tanque resonante. ^{[ 11 ]} Dependiendo del campo magnético externo, a medida que el SQUID opera en modo resistivo, la inductancia efectiva del circuito tanque cambia, cambiando así la frecuencia de resonancia del circuito tanque. Estas mediciones de frecuencia se pueden tomar fácilmente y, por lo tanto, las pérdidas que aparecen como voltaje a través de la resistencia de carga en el circuito son una función periódica del flujo magnético aplicado con un período de${\displaystyle \Phi _{0}}$Para una descripción matemática precisa, consulte el artículo original de Erné et al. ^{[ 6 ] [ 12 ]}

Los materiales superconductores tradicionales para SQUID son el niobio puro o una aleación de plomo con un 10 % de oro o indio , ya que el plomo puro es inestable cuando su temperatura cambia repetidamente. Para mantener la superconductividad, todo el dispositivo debe operar a pocos grados del cero absoluto , enfriado con helio líquido . ^{[ 13 ]}

Los sensores SQUID de alta temperatura se desarrollaron a finales de la década de 1980. ^{[ 14 ]} Están fabricados con superconductores de alta temperatura , en particular YBCO , y se enfrían con nitrógeno líquido , que es más económico y fácil de manipular que el helio líquido. Son menos sensibles que los SQUID convencionales de baja temperatura, pero suficientemente buenos para muchas aplicaciones. ^{[ 15 ]}

En 2006, se presentó una prueba de concepto para sensores CNT-SQUID construidos con un bucle de aluminio y una unión Josephson de nanotubo de carbono de pared simple. ^{[ 16 ]} Los sensores tienen un tamaño de unos pocos cientos de  nm y operan a 1 K o menos. Dichos sensores permiten contar espines. ^{[ 17 ]}

En 2022 se construyó un SQUID sobre grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico (MATBG) ^{[ 18 ] [ 19 ].}

Un caso de uso muy común de los SQUID es en magnetometría , donde la magnetización de materiales a granel se mide en función de parámetros externos (como temperatura, campo magnético, presión, etc.). Hay varios sistemas comerciales disponibles ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} que permiten mediciones en el rango de temperatura de 300 mK a 400 K y en campos magnéticos de hasta 7 T. En estos sistemas, una muestra se mueve a través de una configuración de bobinas captadoras, que están acopladas al sensor SQUID ^{[ 23 ]} . Esta configuración permite la medición del flujo magnético Φ dentro de las bobinas captadoras mediante el ajuste de una llamada función dipolar a la señal registrada en función de la ubicación de la muestra con respecto a las bobinas. Dado que Φ es proporcional al momento magnético de la muestra μ, la proporcionalidad exacta se determina utilizando una muestra de calibración con momento conocido μ _calib .

En la práctica, la bobina captadora consta de múltiples devanados en una configuración de gradiómetro (generalmente de segundo orden), que mide no el momento sino su derivada espacial. La razón de esto es que las señales de ruido ambiental son espacialmente más homogéneas que la señal de la muestra y, por lo tanto, se pueden filtrar mejor ^{[ 7 ]} .

La extrema sensibilidad de los SQUID los hace ideales para estudios en biología. La magnetoencefalografía (MEG), por ejemplo, utiliza mediciones de una matriz de SQUID para inferir la actividad neuronal en el cerebro. Dado que los SQUID pueden operar a velocidades de adquisición mucho mayores que la frecuencia temporal más alta de interés en las señales emitidas por el cerebro (kHz), la MEG logra una buena resolución temporal. Otra área donde se utilizan los SQUID es la magnetogastrografía , que se ocupa del registro de los débiles campos magnéticos del estómago. Una aplicación novedosa de los SQUID es el método de monitorización de marcadores magnéticos , que se utiliza para rastrear la trayectoria de fármacos administrados por vía oral. En el ámbito clínico, los SQUID se utilizan en cardiología para la obtención de imágenes de campo magnético (MFI), que detecta el campo magnético del corazón para el diagnóstico y la estratificación del riesgo.

Por ejemplo, los SQUID se utilizan como detectores para realizar imágenes por resonancia magnética (IRM). Mientras que la IRM de alto campo utiliza campos de precesión de uno a varios teslas, la IRM con detección por SQUID utiliza campos de medición en el rango de los microteslas. En un sistema de IRM convencional, la señal se escala con el cuadrado de la frecuencia de medición (y, por lo tanto, del campo de precesión): una potencia de la frecuencia proviene de la polarización térmica de los espines a temperatura ambiente, mientras que la segunda potencia proviene del hecho de que el voltaje inducido en la bobina captadora es proporcional a la frecuencia de la magnetización en precesión. Sin embargo, en el caso de la detección por SQUID no sintonizada de espines prepolarizados, la intensidad de la señal de RMN es independiente del campo de precesión, lo que permite la detección de la señal de IRM en campos extremadamente débiles, del orden del campo magnético terrestre. La IRM con detección por SQUID presenta ventajas sobre los sistemas de IRM de alto campo, como el bajo coste de construcción del sistema y su tamaño compacto. El principio se ha demostrado mediante imágenes de extremidades humanas, y su aplicación futura podría incluir la detección de tumores. ^{[ 24 ]}

Uno de los usos más importantes de los SQUID es la lectura de sensores superconductores de borde de transición . Actualmente se están desplegando cientos de miles de SQUID multiplexados acoplados a sensores de borde de transición para estudiar el fondo cósmico de microondas , para astronomía de rayos X , para buscar materia oscura compuesta de partículas masivas de interacción débil ^{[ 25 ]} y para espectroscopia en fuentes de luz de sincrotrón .

Otra aplicación es el microscopio SQUID de barrido , que utiliza un SQUID sumergido en helio líquido como sonda. Gracias a la reducción del tamaño de los sensores SQUID, estos pueden equipar la punta de una sonda AFM . Este dispositivo permite la medición simultánea de la rugosidad de la superficie de una muestra y el flujo magnético local. ^{[ 26 ]}

El uso de SQUIDs en la prospección de petróleo , la exploración de minerales , ^{[ 27 ]} la predicción de terremotos y el estudio de energía geotérmica se está generalizando a medida que se desarrolla la tecnología de superconductores; también se utilizan como sensores de movimiento de precisión en diversas aplicaciones científicas, como la detección de ondas gravitacionales . ^{[ 28 ]} Un SQUID es el sensor en cada uno de los cuatro giroscopios empleados en la sonda de gravedad B para probar los límites de la teoría de la relatividad general . ^{[ 1 ]} Los SQUIDs avanzados llamados amplificadores SQUID casi limitados cuánticamente forman la base del experimento de materia oscura de axiones (ADMX) en la Universidad de Washington. Los axiones son un candidato principal para la materia oscura fría . ^{[ 29 ]}

Se utilizó un SQUID de CC con polarización de RF para observar el efecto Casimir dinámico por primera vez. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

Los SQUID construidos a partir de bucles de alambre de niobio superenfriado se utilizan como base para la computadora cuántica 2000Q de D-Wave Systems . ^{[ 32 ]}

Existe una posible aplicación militar para su uso en la guerra antisubmarina como detector de anomalías magnéticas (MAD) instalado en aeronaves de patrulla marítima . ^{[ 33 ]}

Los SQUID se utilizan en la relajometría superparamagnética (SPMR), una tecnología que aprovecha la alta sensibilidad al campo magnético de los sensores SQUID y las propiedades superparamagnéticas de las nanopartículas de magnetita . ^{[ 34 ] [ 35 ]} Estas nanopartículas son paramagnéticas; no poseen momento magnético hasta que se exponen a un campo externo, donde se vuelven ferromagnéticas. Tras la eliminación del campo magnetizante, las nanopartículas decaen de un estado ferromagnético a un estado paramagnético, con una constante de tiempo que depende del tamaño de la partícula y de si están unidas a una superficie externa. La medición del campo magnético decaído mediante sensores SQUID se utiliza para detectar y localizar las nanopartículas. Las aplicaciones de la SPMR pueden incluir la detección del cáncer. ^{[ 36 ]}