حبار

تم اختراع جهاز SQUID ذي التيار المستمر عام 1964 على يد روبرت جاكليفيتش، وجون جيه. لامب، وجيمس ميرسيرو، وأرنولد سيلفر من مختبرات فورد للأبحاث ^{[ 3 ]،} وذلك بعد أن افترض برايان جوزيفسون تأثير جوزيفسون عام 1962، وصُنعت أول وصلة جوزيفسون على يد جون رويل وفيليب أندرسون في مختبرات بيل عام 1963. ^{[ 4 ]} يتكون الجهاز من وصلتي جوزيفسون متوازيتين في حلقة فائقة التوصيل. ويعتمد على تأثير جوزيفسون ذي التيار المستمر. في غياب أي مجال مغناطيسي خارجي، يكون تيار الإدخال${\displaystyle I}$ينقسم إلى فرعين متساويين. إذا تم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي صغير على الحلقة فائقة التوصيل، فسيتولد تيار حجب.${\displaystyle I_{s}}$يبدأ التيار المستحث بالدوران في الحلقة التي تولد المجال المغناطيسي، مما يلغي التدفق الخارجي المطبق، ويخلق طور جوزيفسون إضافيًا يتناسب مع هذا التدفق المغناطيسي الخارجي. ^{[ 5 ]} ويكون التيار المستحث في نفس اتجاه${\displaystyle I}$في أحد فروع الحلقة فائقة التوصيل، وهو معاكس لـ${\displaystyle I}$في الفرع الآخر؛ يصبح التيار الكلي${\displaystyle I/2+I_{s}}$في فرع واحد و${\displaystyle I/2-I_{s}}$في الفرع الآخر. بمجرد أن يتجاوز التيار في أي من الفرعين التيار الحرج،${\displaystyle I_{c}}$، في وصلة جوزيفسون ، يظهر جهد كهربائي عبر الوصلة.

لنفترض الآن أن التدفق الخارجي قد ازداد أكثر حتى يتجاوز${\displaystyle \Phi _{0}/2}$نصف كمية التدفق المغناطيسي . بما أن التدفق المحصور داخل الحلقة فائقة التوصيل يجب أن يكون عددًا صحيحًا من كميات التدفق، فبدلاً من حجب التدفق، يفضل جهاز SQUID الآن من الناحية الطاقية زيادته إلى${\displaystyle \Phi _{0}}$يسري التيار الآن في الاتجاه المعاكس، مما يعاكس الفرق بين التدفق المسموح به${\displaystyle \Phi _{0}}$والمجال الخارجي الذي يزيد قليلاً عن${\displaystyle \Phi _{0}/2}$يقل التيار مع زيادة المجال الخارجي، ويصبح صفراً عندما يكون التدفق مساوياً تماماً لـ${\displaystyle \Phi _{0}}$ثم ينعكس اتجاهه مرة أخرى مع زيادة المجال الخارجي. وهكذا، يتغير اتجاه التيار دوريًا، في كل مرة يزداد فيها التدفق بمقدار نصف عدد صحيح إضافي.${\displaystyle \Phi _{0}}$، مع تغيير عند أقصى شدة تيار كل نصف زائد مضاعف صحيح لـ${\displaystyle \Phi _{0}}$وعند صفر أمبير، كل مضاعف صحيح.

إذا كان تيار الإدخال أكبر من${\displaystyle I_{c}}$إذا كان الأمر كذلك، فإن جهاز SQUID يعمل دائمًا في الوضع المقاوم. وبالتالي، فإن الجهد في هذه الحالة يكون دالةً للمجال المغناطيسي المطبق، ودورته تساوي${\displaystyle \Phi _{0}}$بما أن خاصية التيار-الجهد لجهاز SQUID ذي التيار المستمر هي خاصية التخلف، فإن مقاومة التوازي،${\displaystyle R}$يتم توصيلها عبر الوصلة للتخلص من التخلف المغناطيسي (في حالة الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية القائمة على أكسيد النحاس ، عادةً ما تكون المقاومة الذاتية للوصلة كافية). تيار الحجب هو التدفق المطبق مقسومًا على الحث الذاتي للحلقة.${\displaystyle \Delta \Phi }$يمكن تقديرها كدالة لـ${\displaystyle \Delta V}$(محول التدفق إلى الجهد) ^{[ 6 ] [ 7 ]} كما يلي:

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

${\displaystyle 2\cdot \Delta I=2\cdot {\frac {\Delta \Phi }{L}}}$، أين${\displaystyle L}$يمثل الحث الذاتي للحلقة فائقة التوصيل

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

افترضت المناقشة في هذا القسم تكميمًا مثاليًا للتدفق في الحلقة. ومع ذلك، لا يصح هذا إلا للحلقات الكبيرة ذات الحث الذاتي العالي. ووفقًا للعلاقات المذكورة أعلاه، فإن هذا يستلزم أيضًا تغيرات طفيفة في التيار والجهد. عمليًا، يكون الحث الذاتي${\displaystyle L}$حجم الحلقة ليس كبيرًا جدًا. يمكن تقييم الحالة العامة عن طريق إدخال مُعامل.

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

أين${\displaystyle i_{c}}$يمثل التيار الحرج لجهاز SQUID. عادةً${\displaystyle \lambda }$هو من الدرجة الأولى. ^{[ 8 ]}

تم اختراع جهاز SQUID بترددات الراديو عام 1967 على يد روبرت جاكليفيتش، وجون جيه. لامب، وجيمس إي. ميرسيرو، وأرنولد سيلفر، وجيمس إدوارد زيمرمان في شركة فورد. ^{[ 7 ]} يعتمد هذا الجهاز على تأثير جوزيفسون للتيار المتردد، ويستخدم وصلة جوزيفسون واحدة فقط. وهو أقل حساسية مقارنةً بجهاز SQUID للتيار المستمر، ولكنه أرخص وأسهل في التصنيع بكميات صغيرة. وقد أُجريت معظم القياسات الأساسية في المغناطيسية الحيوية ، حتى للإشارات الصغيرة للغاية، باستخدام أجهزة SQUID بترددات الراديو. ^{[ 9 ] [ 10 ]} يتم توصيل جهاز SQUID بترددات الراديو حثيًا بدائرة رنين. ^{[ 11 ]} اعتمادًا على المجال المغناطيسي الخارجي، ونظرًا لأن جهاز SQUID يعمل في الوضع المقاوم، يتغير الحث الفعال لدائرة الرنين، مما يؤدي إلى تغيير تردد الرنين. يمكن إجراء قياسات التردد هذه بسهولة، وبالتالي فإن الخسائر التي تظهر على شكل جهد عبر مقاومة الحمل في الدائرة هي دالة دورية للتدفق المغناطيسي المطبق بفترة زمنية قدرها${\displaystyle \Phi _{0}}$للحصول على وصف رياضي دقيق، يرجى الرجوع إلى الورقة الأصلية لإرني وآخرون ^{[ 6 ] [ 12 ]}

المواد فائقة التوصيل التقليدية لأجهزة SQUID هي النيوبيوم النقي أو سبيكة من الرصاص مع 10% من الذهب أو الإنديوم ، لأن الرصاص النقي غير مستقر عند تغير درجة حرارته بشكل متكرر. وللحفاظ على خاصية التوصيل الفائق، يجب أن يعمل الجهاز بأكمله ضمن نطاق بضع درجات من الصفر المطلق ، مع تبريده بالهيليوم السائل . ^{[ 13 ]}

طُوِّرت مستشعرات SQUID عالية الحرارة في أواخر ثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 14 ]} وهي مصنوعة من موصلات فائقة عالية الحرارة ، وخاصة YBCO ، وتُبرَّد بالنيتروجين السائل الذي يُعدّ أرخص وأسهل استخدامًا من الهيليوم السائل. وهي أقل حساسية من مستشعرات SQUID التقليدية منخفضة الحرارة، لكنها كافية للعديد من التطبيقات. ^{[ 15 ]}

في عام 2006، تم إثبات جدوى مفهوم مستشعرات CNT-SQUID المصنوعة من حلقة ألومنيوم ووصلة جوزيفسون أحادية الجدار من أنابيب الكربون النانوية . ^{[ 16 ]} يبلغ حجم هذه المستشعرات بضع مئات من  النانومترات، وتعمل عند درجة حرارة 1 كلفن أو أقل. وتتيح هذه المستشعرات عدّ اللف المغزلي. ^{[ 17 ]}

في عام 2022 تم بناء جهاز SQUID على طبقة ثنائية من الجرافين الملتوية بزاوية سحرية (MATBG) ^{[ 18 ] [ 19 ]}

يُعدّ قياس المغناطيسية أحد أكثر استخدامات أجهزة SQUID شيوعًا ، حيث تُقاس مغنطة المواد الصلبة كدالة للمتغيرات الخارجية (مثل درجة الحرارة، والمجال المغناطيسي، والضغط، إلخ). تتوفر العديد من الأنظمة التجارية ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} التي تسمح بإجراء القياسات في نطاق درجات حرارة يتراوح بين 300 ملي كلفن و400 كلفن، وفي مجالات مغناطيسية تصل إلى 7 تسلا. في هذه الأنظمة، تُمرّر العينة عبر مجموعة من ملفات الاستقبال، الموصولة بمستشعر SQUID ^{[ 23 ]} . يتيح هذا الإعداد قياس التدفق المغناطيسي Φ داخل ملفات الاستقبال عن طريق مطابقة ما يُسمى بدالة ثنائية القطب مع الإشارة المسجلة كدالة لموقع العينة بالنسبة للملفات. بما أن Φ يتناسب طرديًا مع العزم المغناطيسي للعينة μ، يتم تحديد التناسب الدقيق باستخدام عينة معايرة ذات عزم معروف μ _calib .

عملياً، يتكون ملف الالتقاط من عدة لفات في جهاز قياس التدرج (عادةً من الدرجة الثانية)، والذي لا يقيس العزم بل مشتقته المكانية. والسبب في ذلك هو أن إشارات الضوضاء البيئية أكثر تجانساً مكانياً من إشارة العينة، وبالتالي يمكن ترشيحها بشكل أفضل ^{[ 7 ]} .

تُعدّ حساسية أجهزة SQUID الفائقة مثاليةً للدراسات البيولوجية. فعلى سبيل المثال، يستخدم تخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG) قياسات من مجموعة من أجهزة SQUID لاستنتاج معلومات حول النشاط العصبي داخل الدماغ. ونظرًا لقدرة هذه الأجهزة على العمل بمعدلات تسجيل أعلى بكثير من أعلى تردد زمني مُهم في الإشارات الصادرة من الدماغ (كيلوهرتز)، يحقق تخطيط الدماغ المغناطيسي دقة زمنية عالية. ومن المجالات الأخرى التي تُستخدم فيها أجهزة SQUID، التصوير المغناطيسي للمعدة، والذي يُعنى بتسجيل المجالات المغناطيسية الضعيفة للمعدة. ومن التطبيقات الحديثة لأجهزة SQUID طريقة مراقبة العلامات المغناطيسية ، والتي تُستخدم لتتبع مسار الأدوية التي تُعطى عن طريق الفم. وفي المجال السريري، تُستخدم أجهزة SQUID في طب القلب لتصوير المجال المغناطيسي (MFI)، الذي يكشف المجال المغناطيسي للقلب لأغراض التشخيص وتحديد مستوى الخطورة.

على سبيل المثال، تُستخدم أجهزة SQUID ككواشف لإجراء التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). فبينما يستخدم التصوير بالرنين المغناطيسي عالي المجال مجالات ترنح تتراوح قوتها بين تسلا واحدة وعدة تسلا، يستخدم التصوير بالرنين المغناطيسي المُكتشف بواسطة SQUID مجالات قياس تقع في نطاق الميكروتسلا. في نظام التصوير بالرنين المغناطيسي التقليدي، تتناسب الإشارة طرديًا مع مربع تردد القياس (وبالتالي مجال الترنح): يأتي أحد قوى التردد من الاستقطاب الحراري للدوران عند درجة حرارة الغرفة، بينما يأتي القوة الثانية من حقيقة أن الجهد المستحث في ملف الاستقبال يتناسب مع تردد التمغنط المترنح. أما في حالة الكشف غير المضبوط بواسطة SQUID عن الدوران المستقطب مسبقًا، فإن قوة إشارة الرنين المغناطيسي النووي (NMR) مستقلة عن مجال الترنح، مما يسمح بالكشف عن إشارة الرنين المغناطيسي في مجالات ضعيفة للغاية، في حدود المجال المغناطيسي للأرض. يتميز التصوير بالرنين المغناطيسي المُكتشف بواسطة SQUID بمزايا على أنظمة التصوير بالرنين المغناطيسي عالية المجال، مثل انخفاض تكلفة بناء مثل هذا النظام، وصغر حجمه. وقد تم إثبات هذا المبدأ من خلال تصوير الأطراف البشرية، وقد يشمل تطبيقه المستقبلي فحص الأورام. ^{[ 24 ]}

يُعدّ قراءة بيانات مستشعرات حافة الانتقال فائقة التوصيل أحد أهم استخدامات أجهزة SQUID . ويجري حاليًا نشر مئات الآلاف من أجهزة SQUID متعددة الإرسال والمقترنة بمستشعرات حافة الانتقال لدراسة إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ، ولعلم الفلك بالأشعة السينية ، وللبحث عن المادة المظلمة المكونة من جسيمات ضخمة ضعيفة التفاعل ^{[ 25 ]} ، ولتحليل الطيف في مصادر ضوء السنكروترون .

من التطبيقات الأخرى مجهر المسح الضوئي SQUID ، الذي يستخدم جهاز SQUID مغمورًا في الهيليوم السائل كمسبار. ومع انخفاض حجم مستشعرات SQUID، أصبح بالإمكان تركيبها على طرف مسبار مجهر القوة الذرية (AFM) . يتيح هذا الجهاز قياس خشونة سطح العينة والتدفق المغناطيسي الموضعي في آنٍ واحد. ^{[ 26 ]}

يتزايد استخدام أجهزة SQUID في التنقيب عن النفط ، واستكشاف المعادن ، ^{[ 27 ]} والتنبؤ بالزلازل، ومسح الطاقة الحرارية الأرضية ، مع تطور تقنية الموصلات الفائقة؛ كما تُستخدم هذه الأجهزة كمستشعرات دقيقة للحركة في تطبيقات علمية متنوعة، مثل رصد موجات الجاذبية . ^{[ 28 ]} يُعد جهاز SQUID المستشعر الموجود في كل من الجيروسكوبات الأربعة المستخدمة في مسبار الجاذبية B لاختبار حدود نظرية النسبية العامة . ^{[ 1 ]} تُشكل أجهزة SQUID المتقدمة، والتي تُسمى مضخمات SQUID شبه الكمية، أساس تجربة المادة المظلمة الأكسيونية (ADMX) في جامعة واشنطن. وتُعد الأكسيونات مرشحًا رئيسيًا للمادة المظلمة الباردة . ^{[ 29 ]}

استُخدم جهاز SQUID ذو التيار المستمر والمتحيز بترددات الراديو لرصد تأثير كازيمير الديناميكي لأول مرة. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

تُستخدم أجهزة SQUID المصنوعة من حلقات أسلاك النيوبيوم فائقة التبريد كأساس للحاسوب الكمومي 2000Q من شركة D-Wave Systems . ^{[ 32 ]}

يوجد تطبيق عسكري محتمل لاستخدامه في الحرب المضادة للغواصات كجهاز كشف الشذوذ المغناطيسي (MAD) يتم تركيبه على طائرات الدوريات البحرية . ^{[ 33 ]}

تُستخدم أجهزة SQUID في تقنية الاسترخاء المغناطيسي الفائق (SPMR)، وهي تقنية تستغل حساسية مستشعرات SQUID العالية للمجال المغناطيسي وخصائص المغناطيسية الفائقة لجزيئات أكسيد الحديد المغناطيسي النانوية . ^{[ 34 ] [ 35 ]} هذه الجزيئات النانوية مغناطيسية مسايرة؛ أي أنها لا تمتلك عزمًا مغناطيسيًا إلا عند تعرضها لمجال خارجي، حيث تصبح مغناطيسية حديدية. بعد إزالة المجال المغناطيسي، تتحلل الجزيئات النانوية من حالة مغناطيسية حديدية إلى حالة مغناطيسية مسايرة، بثابت زمني يعتمد على حجم الجزيئات وما إذا كانت مرتبطة بسطح خارجي. يُستخدم قياس المجال المغناطيسي المتلاشي بواسطة مستشعرات SQUID للكشف عن الجزيئات النانوية وتحديد موقعها. قد تشمل تطبيقات تقنية SPMR الكشف عن السرطان. ^{[ 36 ]}