- •Содержание
- •2.2. Трансдисциплинарная идея моделирования природы
- •2.3. Трансдисциплинарная идея единства объекта и его окружения
- •2.4. Трансдисциплинарная идея пространственно-временных отношений в природе
- •2.5. Трансдисциплинарная идея целостности природы
- •2.6. Трансдисциплинарная идея экспериментальной достоверности
- •2.7. Роль трансдисциплинарных идей в целостном понимании природы
- •3.1.2. Концепция единого пространства-времени.
- •3.1.3. Концепция моделирования объектов
- •3.1.4. Концепция контролируемого воздействия.
- •3.1.5. Специфика классических моделей химии и биологии
- •3.2. Образ природы в неклассическом естествознании
- •3.2.1. Концепция измерения в неклассическом естествознании
- •3.2.2. Концепция моделирования состояний
- •3.2.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц
- •3.2.4.Концепция макросостояний объектов
- •3.2.5. Концепция флуктуации и их корреляций
- •3.2.6. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире
- •Лекция №4.
- •4. Концепция измерения в классическом естествознании. Классические измерительные системы. Проблема измерения в классическом естествознании. Единицы измерения и системы единиц
- •4.1. Проблема измерения в классическом естествознании
- •4.2. Единицы измерения и системы единиц
- •4.3. Возникновение систем мер.
- •4.4.Возникновение и распространение метрической системы мер.
- •4.5. Эталоны.
- •4.6. Атомные часы.
- •Лекция №5.
- •5.1. Временные отношения в природе
- •5.2. Пространственные отношения в природе
- •5.3. Движение частицы. Взаимосвязь Пространства и времени
- •5.4. Целостное описание пространства-времени
- •Лекция №6.
- •6.1. Моделирование
- •6.2. Традиции атомизма и непрерывности в естествознании.
- •6.3. Фундаментальные физические модели объектов
- •6.4. Масса как универсальная характеристика инертности и гравитаци.
- •6.5. Импульс как фундаментальная характеристика объекта
- •6.6. Полная энергия и полный момент как фундаментальные характеристики объекта
- •6.7. Роль фундаментальных законов сохранения в описании природы
- •Лекция №7.
- •7.1. Воздействие и взаимодействие
- •7.2. Характеристики контролируемого воздействия на частицу
- •7.3. Фундаментальные силы
- •7.4. Механическая энергия и динамика частицы
- •7.5. Энергия взаимодействия в системе частиц
- •Лекция №8.
- •8.1. Концепция измерения в неклассическом естествознании
- •8.2. Концепция моделирования состояний
- •8.2.1. Неклассические представления о характеристиках объектов и состояний
- •8.2.2. Фундаментальные модели неклассической физики
- •Лекция №9.
- •9.1. Ограничение воздействия на микроуровне как фундаментальный закон природы
- •9.2. Микросостояние одной микрочастицы.
- •9.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц
- •Лекция №10.
- •10.1. Тепловое равновесие как макросостояние.
- •10.2. Детерминированное и стохастическое движения. Ограничение воздействия на макроуровне как фундаментальный закон природы
- •10.3. Макропараметры как характеристики объектов и их макросостояний в тепловом равновесии
- •10.4. Два способа описания природы на макроуровне.
- •Лекция №11.
- •11.1. Флуктуации и их роль в описании природы
- •11.2. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире
- •11.3. Флуктуации и неальтернативная корреляция между ними в макромире
- •11.4. Универсальные корреляции между флуктуациями в неклассической физике.
- •Лекция №12.
- •12. Физические принципы создания современной эталонной базы. Использование явления сверхпроводимости.
- •12.1. Свойство сверхпроводимости
- •12.2. Изотопический эффект
- •12.3. Функциональные устройства на магнитных вихрях в сверхпроводниках второго рода
- •12.4 Высокотемпературная сверхпроводимость
- •Лекция №13.
- •13. Явление Зеемана. Явление Джозефсона.
- •13.2. Явление Джозефсона.
- •Лекция №14.
- •14. Явление Мессбауэра. Другие эффекты квантовой физики
- •14.1. Краткая история жизни знаменитого ученого. Научные достижения
- •14.2. Предыстория вопроса
- •14.3. Открытие Мёссбауэра
- •14.4. Природа эффекта
- •14.5. Мёссбауэровские изотопы
- •14.6. Общие применения метода
- •14.7. Применение эффекта Мессбаура для изучения свойств поверхности и объема кристаллов
- •14.8. Химические применения метода
- •14.9. Выводы
- •Лекция №15.
- •15.1.Общие сведения.
- •15.2. Объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории
- •15.3. Эффект Холла в ферромагнетиках.
- •15.4. Эффект Холла в полупроводниках
- •15.5. Эффект Холла на инерционных электронах в полупроводниках
- •15.6. Датчик эдс Холла
- •Лекция №16.
- •16. Измерение абсолютного заряда электрона и его удельного заряда. Опыт Милликена. Метод Томсона. Метод магнитной фокусировки Буша.
- •16.1. Инерционный метод измерения заряда. История открытия электрона
- •16.2. Метод магнитной фокусировки Буша
- •16.3. Опыт Милликена
- •Лекция №17.
- •17.1. Шумы, обусловленные дискретностью вещества. Помехи
- •17.2. Дробовый эффект
- •17.3.Критерий устойчивости Найквиста. Формула Найквиста
- •17.4. Естественные пределы точности измерений
- •17.5. Методы повышения точности средств измерений и выполнения измерений
- •17.6. Фундаментальный источник погрешностей измерений. Основные понятия и виды погрешностей
- •17.7. Броуновское движение
- •Список используемой литературы:
12.3. Функциональные устройства на магнитных вихрях в сверхпроводниках второго рода
Ось вихря параллельна внешнему магнитному полю. Вдоль оси вихря и окружающей ее сверхпроводящую область проходит квант магнитного потока Ф0. Диаметр нити нормальной фазы равен длине когерентности, а внешний диаметр сверхпроводящей фазы определяется лондоновской глубиной проникновения магнитного поля в сверхпроводник. Для сверхпроводников второго рода характерно, что . Как длина когерентности, так и лондоновская длина зависят от состава и толщины пленок.
В однородных пленках флуксон может перемещаться в плоскости пленки под действием внешних сил,, в частности, силы Лоренца, возникающей при протекании вдоль пленки сверхпроводящего тока. При токе 1010 А/м2, скорость перемещения вихря составляет в Pb-In 0,35·104 м/с, в А1 – 1,5·104 м/с.
Физические неоднородности в сверхпроводящих пленках являются центрами закрепления вихрей и для отрыва вихря необходимо приложить дополнительную силу. Минимальная сила, необходимая для отрыва вихря, по аналогии с магнетизмом называется коэрцитивностью материала. В случае действия силы Лоренца коэрцитивность материала будет определяться минимальной величиной сверхпроводящего тока, приводящего в движение магнитный вихрь. Магнитный вихрь является типичным примером динамической неоднородности – основы функциональной электроники, которую можно использовать для создания устройств обработки информации. Факт наличия или отсутствия магнитного вихря в данном месте пленки представляет собой единицу информации – бит.
Рис 12.4 Схема генерации и ввода магнитных вихрей в канал продвижения
Энергия магнитного вихря , равна произведению плотности энергии на длину LH его нити:
(12.1),
где
(12.2),
– магнитная проницаемость вакуума.
В связи с этим любое утолщение в пленке, содержащей магнитные вихри, будет представлять собой некоторый потенциальный барьер для движения вихря. Высота барьера , где – величина утолщения или ступеньки. Следовательно, изменяя толщину вихресодержащих пленок сверхпроводника второго рода, можно формировать каналы перемещения магнитных вихрей.
Существуют и другие методы канализации магнитных вихрей. Схемы продвижения вихрей являются важнейшими элементами функциональных устройств на магнитных вихрях.
Генерация магнитных вихрей реализуется с помощью токовой шины, которая размещается на краю вихресодержащей пленки (рис 12.4). Для контроля за входом вихря в канал продвижения можно использовать токовую шину, пересекающую вход в канал.
Считывание магнитных вихрей легко осуществить с помощью одиночных джозефсоновских переходов. Если вихресодержащая пленка является одной стороной джозефсоновского перехода, то при приближении вихря к переходу токи вихря проникают в переход и модулируют сверхпроводящий ток, протекающий через него. Наконец, для аннигиляции магнитных вихрей их можно выводить из вихресодержащей пленки в какую-либо область.
Отмеченный набор основных элементов на магнитных вихрях позволяет создавать разнообразные устройства функциональной электроники.
Рис. 12.5 Запоминающие устройства на магнитных вихрях. а – сдвиговый регистр; б – накопитель
На рис 12.5 а приведена схема запоминающего устройства с последовательной выборкой информации – сдвиговый регистр на магнитных вихрях, а на рис 12.5 б изображено запоминающее устройство с параллельно-последовательной организацией записи и считывания информации.
Анализ показывает, что на магнитных вихрях можно сформировать память с объемом информации 108—1010 бит.
На основе сверхпроводников второго рода были созданы наиболее чувствительные приемники теплового излучения.
Вспомним, что в отличие от фотонных приемников излучения, работа которых связана с генерацией носителей заряда под действием поглощаемых фотонов с энергией, большей ширины запрещенной зоны или энергии ионизации примесного центра, сигнал на выходе тепловых приемников, болометров, зависит лишь от мощности поглощенного излучения и не зависит от его спектрального состава. Если в видимом, ближнем и среднем, ИК-диапазонах преимущество фотонных фотоприемников неоспоримо, то по мере освоения более длинноволнового ИК-излучения конкурентоспособность болометров становится очевидной.
Болометры, как и другие типы приемников излучения, являются преобразователями падающей лучистой энергии в измеряемый сигнал. Интегральная чувствительность приемника S определяется как отношение приращения электрического сигнала на выходе приемника к приращению падающего потока энергии
(12.3),
Частотную характеристику приемника определяет постоянная времени τ.
Физическим ограничением используемых сверхпроводящих пленочных болометров является прямопропорциональная связь между чувствительностью приемника S и постоянной времени τ. Сверхпроводники второго рода позволяют преодолеть это ограничение.
Рис. 12.6. Зависимость внешнего магнитного потока, проникающего в сверхпроводящую пленку, от температуры
Как мы уже отмечали, сверхпроводник второго рода, находящийся во внешнем магнитном поле, напряженность которого равна напряженности нижнего критического поля переходит из сверхпроводящего состояния в смешанное. При этом переход в смешанное состояние сопровождается образованием магнитных вихрей. Наиболее существенным для создания болометров является то обстоятельство, что сам переход из сверхпроводящего состояния в смешанное осуществляется в постоянном магнитном поле за счет изменения температуры, и количество магнитных вихрей, т. е. суммарный магнитный поток, проникающий в сверхпроводящую пленку, зависит от температуры при данном внешнем магнитном поле. Эта зависимость проникающего потока Ф от температуры в области обладает большой крутизной и имеет вид, показанный на рис 6. Здесь Тк1 – критическая температура перехода из сверхпроводящего состояния в смешанное при заданном значении внешнего магнитного поля Н, ФN – магнитный поток, пронизывающий пленку, находящуюся в нормальном (несверхпроводящем) состоянии.
Следовательно, если приемная площадка болометра выполнена из сверхпроводника второго рода и находится во внешнем магнитном поле, то слабое изменение температуры приемной площадки под действием падающего излучения приведет к образованию вихрей, количество которых будет определяться падающим тепловым потоком. Поскольку вихри обладают высокой подвижностью, то их можно под влиянием внешних воздействий перемещать и считывать.
Магнитные вихри могут зарождаться только на краях сверхпроводящей площадки. Путь lΣ – суммарная длина краев приемной площадки, на которых происходит образование вихрей, u – скорость образования вихрей, т. е. количество вихрей, образующихся в единицу времени на единице длины края сверхпроводника. Поток вихрей
(12.4),
где l – текущие координаты краев приемной площадки. Величина u(l) определяется температурой приемной площадки и скоростью отвода образующихся вихрей от краев площадки. Под влиянием транспортного тока IТ вихри движутся по сверхпроводящей пленке 2 и пересекают считывающий элемент 3, представляющий собой тонкую и узкую сверхпроводниковую пленку, размещенную перпендикулярно направлению движения вихрей.
Вихри, пересекая эту пленку, индуктируют в ней электрическое поле, в результате чего на концах считывающего элемента возникает напряжение, равное
V = Ф0g (12.5),
а выражение для вольт-ваттной чувствительности будет
(12.6),
где α – коэффициент поглощения, Wα – мощность излучения.
Образование магнитных вихрей сопровождается поглощением тепловой энергии из приемной площадки. Если тепловую энергию на единицу толщины приемной площадки, идущую на образование одного магнитного вихря, обозначим Q, тогда энергия, поглощенная вихрями при их образовании в единицу времени, будет
(12.7),
где d – толщина пленки сверхпроводника приемной площадки.
Естественно, что не вся поглощающая энергия Wα пойдет на образование вихрей, часть энергии рассеется благодаря теплопроводности и излучению в окружающую среду, т. е. в результате теплообмена.
В этом случае
Wα = Wb + WT, (12.8),
где WT – энергия, ушедшая от приемной площадки в результате теплообмена.
Несложно вычислить, что чувствительность S будет определятся выражением
(12.9).
Работа приемников на основе вихрей может происходить как в режиме непрерывного считывания, так и в режиме накопления, что особо важно при создании пороговых приемников теплового излучения.