3.2. Các phương pháp nghiên cứu
3.2.3. Từ kế SQUID
Tính chất từ của các mẫu được khảo sát bằng thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (super conducting quantum interference device) - từ kế SQUID. Một vịng siêu dẫn có một tiếp xúc Josephson sẽ tạo thành một SQUID xoay chiều (rf SQUID), một vịng siêu dẫn có hai tiếp xúc Josephson song song với nhau sẽ tạo thành một SQUID một chiều (dc SQUID). Một SQUID thường bao gồm cả một (rf) hoặc hai (dc) điện trở mắc song song với lớp tiếp xúc để loại trừ
hiện tượng trễ của đặc trưng I-V. Sự khác nhau cơ bản giữa SQUID một chiều
và xoay chiều là SQUID một chiều có nền nhiễu nhỏ hơn. Mặc dù về mặt lịch sử, SQUID một chiều được chế tạo đầu tiên nhưng đòi hỏi về sự phức tạp hơn của mạch điện tử cũng như những khó khăn trong việc chế tạo hai lớp tiếp xúc giống nhau đã làm cho loại SQUID này không được phổ biến trong một thời gian. Tuy nhiên với những tiến bộ của công nghệ chế tạo màng mỏng và các mạch điện tử, SQUID một chiều đang ngày càng thể hiện những ưu thế của nó trong rất nhiều lĩnh vực ứng dụng. nối tới mạch SQUID mẫu cuộn thu tín hiệu cuộn kích hoạt (a) (b) (c)
Hình 3.9. a) Sơ đồ buồng mẫu thiết bị đo hệ số cảm từ SQUID. b) Cuộn dây đo độ cảm xoay chiều. b) Cuộn dây đo độ cảm xoay chiều.
Trong từ kế SQUID, thay vì việc sử dụng một cuộn kích thích xoay chiều, một từ trường một chiều có thể được sử dụng để từ hóa mẫu. Thơng thường từ trường được giữ cố định còn mẫu được di chuyển vào trong lòng cuộn cảm ứng (Hình 3.9). Suất điện động cảm ứng trong cuộn cảm ứng trực tiếp tỉ lệ với mômen từ của mẫu.
Thông thường từ kế SQUID được gọi là từ kế độ cảm SQUID. Chúng có một nam châm siêu dẫn có thể tạo ra một vùng từ trường đồng nhất trong toàn bộ vùng đặt mẫu và các vòng cảm ứng siêu dẫn. nam châm sẽ từ hóa mẫu và ta có thể đo được hệ số từ hóa. Cuộn cảm ứng được gắn chặt ở tâm của nam châm. Cấu hình của cuộn cảm ứng sẽ quyết định thuật toán nào sẽ được sử dụng để tính tốn từ độ của mẫu. Cấu hình cặp cuộn Helmholtz mắc xung đối hoặc các gradiometer đạo hàm bậc nhất và bậc hai đã được sử dụng thành công để chế tạo các từ kế SQUID.
Các từ kế SQUID có thể đạt tới độ nhạy tốt hơn 10-9 emu ngay cả khi từ trường ngoài là 9 T. Khả năng đo theo nhiệt độ được thực hiện bằng cách đưa vào một buồng mẫu điều nhiệt trong không gian chứa cuộn cảm ứng.
Các thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID), cho phép thực hiện phép đo từ tính từ 1,8 K đến 190 K, thường được sử dụng để phát hiện những moment từ vô cùng nhỏ với độ nhạy rất cao - vừa đủ nhỏ để đo từ trường trong sinh vật sống. Độ nhạy lớn kết hợp với sự thay đổi đo đạc trong từ trường gắn liền với một lượng tử thông lượng, tức là thơng lượng bị lượng tử hóa trong các đơn vị:
15 B h 2,067833636 10 Wb 2e (3.9)
Nếu một dịng định thiên khơng đổi được duy trì trong SQUID, điện áp đo được không phụ thuộc vào những thay đổi trong pha ở hai chỗ giao nhau, mà phụ thuộc vào sự thay đổi trong các từ thơng. Bằng cách đếm dao động người ta có thể đánh giá sự thay đổi thông lượng đã xảy ra. Trên thực tế, các bộ cảm biến SQUID nằm bên ngồi của khơng gian mẫu. Nó được sử dụng như là một cơng cụ chuyển đổi điện áp có độ nhạy cảm cao. Điện áp đo được do đó tỷ lệ thuận với sự từ hóa mẫu.