СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ПЛЕНОЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР МАГНИТНОГО ПОТОКА

Изобретение относится к области криоэлектроники, в частности к области создания тонкопленочных криогенных устройств на сверхпроводниках.

Известен датчик магнитного поля (ДМП), содержащий диэлектрическую подложку, сверхпроводниковые пленочные трансформаторы магнитного потока (ТМП), между которыми заключен магниточувствительный элемент (МЧЭ) из пленки высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) материала на основе системы Bi-2223 [1]. Характерным для ДМП является то, что все его элементы имеют планарное исполнение и друг друга не пересекают. Недостатком данного ДМП является то, что используемый ТМП имеет небольшое значение фактора умножения F<10, ограничивая, тем самым, полезные показатели МЧЭ (пороговая чувствительность по магнитному полю δВ>1 нТл; пороговая чувствительность по магнитному потоку δϕ>1ϕ₀, ϕ₀ ≈ 2·10¹⁵ Вб - квант магнитного потока).

Наиболее близким техническим решением является конструкция ДМП (прототип) со сверхпроводниковым пленочным ТМП, предложенная в [2]. В ДМП, содержащем диэлектрическую подложку, МЧЭ с гигантским магнитосопротивлением (ГМС), изолирующую пленку, помещенную между МЧЭ и активной полосой сверхпроводникового пленочного ТМП, достигается существенное понижение δB≤1 пТ. Такое улучшение реализуется за счет высоких значений F>100.

Физический механизм работы прототипа основан на концентрации магнитного потока с помощью ТМП на МЧЭ. Концентрация магнитного поля, т.е. усиление ТМП, позволяет увеличить относительную магниточувствительность S₀=(R_B-R₀)/(R₀·B), где R_B - сопротивление МЧЭ во внешнем магнитном поле, т.е. В≠0, R₀ - сопротивление МЧЭ в отсутствие внешнего магнитного поля, т.е. В=0, что уменьшает значения δВ и δϕ. Согласно прототипу ДМП состоит из диэлектрической подложки, магниточувствительного элемента с гигантским магнитосопротивлением (ГМС, GMR) и изолирующей пленки, помещенной между активной полосой ТМП и МЧЭ. ТМП представляет собой квадратообразное кольцо, имеющее длину D стороны квадрата с шириной w_s в узкой части кольца, т.е. с шириной w_s активной полосы ТМП. Для конфигураций, когда в качестве МЧЭ используется элемент с ГМС шириной w_GMR, которая по величине приблизительно совпадает с w_s, изменение внешнего магнитного поля на ΔВ отражается на МЧЭ под действием ТМП как изменение на ΔB_GMR. Отношение ΔB_GMR/ΔВ=F является фактором умножения (концентрации) магнитного поля, достигнутого за счет действия ТМП. Можно ожидать, что величина F~D/w_GMR увеличивает S₀ на ~F·S₀, и, тем самым, достигается улучшение положительных показателей (уменьшение δB) ДМП. Имеется в виду, что

δB ~ δU/(I·R₀·F·S₀), (1)

где δU - минимальный регистрируемый сигнал на МЧЭ, I - измерительный ток в МЧЭ. Видно, что высокое значение величины F приводит к улучшению показателей. ДМП, т.е. уменьшению δB.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности сверхпроводникового пленочного ТМП.

Поставленная задача решается тем, что известный сверхпроводниковый пленочный ТМП, содержащий диэлектрическую подложку, сверхпроводниковое квадратообразное кольцо со суженной активной полосой, изолирующую пленку, помещенную между активной полосой ТМП и магниточувствительным элементом, модифицируется следующим образом - активная полоса ТМП разбивается с помощью прорезей на многочисленные параллельные ветви.

Техническим результатом решения задачи является повышение эффективности сверхпроводникового пленочного ТМП, т.е. повышение его фактора умножения. Оно достигается за счет того, что разбиение активной полосы ТМП на узкие (наноразмерной ширины) параллельные ветви приводит к более однородному распределению сверхпроводящего тока в них и увеличивает концентрацию магнитного поля на МЧЭ. Следовательно, повышается величина F и понижается δB согласно (1).

На фиг.1,а показан схематический вид ТМП: 1 - сверхпроводящее кольцо ТМП, 2 - диалектрическая подложка, 3 - активная полоса ТМП, 4 - изолирующая пленка, 5 - МЧЭ, 6 - выводы к контактным площадкам. На фиг.1,б и в показаны иллюстративные рисунки активной полосы ТМП без разбиения (б, прототип) и с разбиением на параллельные ветви с помощью прорезей (в, предложенное изобретение).

На фиг.2 приведены зависимости максимального значения роста фактора умножения F_m от лондоновской глубины λ проникновения магнитного поля в сверхпроводящем материале при различных значениях минимальной ширины прорезей w_p, которые соответствуют случаям оптимального разбиения на параллельные ветви активной полосы ТМП для различных конфигураций.

Для технической реализации предложенного изобретения проводится поиск максимального значения роста фактора умножения F_m при варьировании ширин прорезей и ветвей, их количества и топологического расположения, а также характерных параметров сверхпроводящего материала ТМП. При поиске оптимального разбиения на параллельные ветви активной полосы ТМП, приводящего к максимальному значению F_m для заданной конфигурации, рассчитываются магнитные поля на МЧЭ, создаваемые сверхпроводящими токами в ветвях, принимая во внимание неоднородное их распределение. При этом учитывается только один компонент магнитного поля, оказывающий наиболее существенное воздействие на МЧЭ.

Пример. Сверхпроводниковый пленочный ТМП имеет параметры: плотность критического тока 10⁶ А/см², λ=50 нм, w_s=7000 нм, толщина 150 нм, минимальная ширина прорезей в активной ТМП полосе w_p=175 нм [3]. Тогда максимальное значение F_m≈50 достигается при оптимальных размерах и топологических расположениях прорезей и ветвей по следующей последовательности: 1050-175-175-175-175-175-175-175-175-175-175-175-l75-175-175-175-175-175-175-175-175-175-175-175-175-175-350-175-1050. Здесь жирным курсивным шрифтом показаны ширины прорезей в нм, а прописными - ширины сверхпроводящих ветвей в нм. Иллюстративный вид активной полосы ТМП с чередованием ветвей и прорезей представлен на фиг.1,в.

Согласно фиг.2 величина F_m принимает большее значение, т.е. эффективность ТМП становится выше, когда сверхпроводящий материал характеризуется более низким значением λ и уменьшается w_p. С другой стороны, высокое значение фактора умножения непосредственно отражается на полезных характеристиках ДМП - значительно уменьшается порог чувствительности, что следует из (1), где следует поставить вместо F его максимальное значение F_m·F.

Пример сравнения пороговой чувствительности с прототипом. Для ДМП с ТМП из сверхпроводниковой пленки системы Y-123 и с МЧЭ из материала с ГМС при рабочей температуре 77 К (температура кипения жидкого азота) в полосе 1 Гц реализуется δB~1 пТл [2, 3]. В то время как в идентичных условиях с учетом использования данного предложения (λ≈250 нм, w_p=175 нм и F_m~20) достигается δВ~50 ϕТл, что сравнимо с параметром δB для наиболее магниточувствительных ВТСП СКВИДов (Superconducting Quantum Interference Device).

Видно, что с повышением эффективности ТМП улучшаются положительные показатели датчика магнитного поля - понижается его пороговая магниточувствительность.

Таким образом, в предложенном техническом решении достигнута поставленная задача - повышение эффективности сверхпроводникового пленочного трансформатора магнитного потока в датчиках магнитного поля.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2289870.

2. Международный патент WO 2004/068158 - прототип.

3. Pannetier M., Fermon С., Le Goff G., Simola J., Kerr E. Science, 304, 1648-1650 (2004).