Magnetometro De Squid

Magnetómetro SQUID

I. Introducción

Un magnetómetro es un instrumento de medición utilizada para medir la fuerza y, en algunos casos, la dirección de los campos magnéticos.

Los magnetómetros son ampliamente utilizados para medir los campos magnéticos de la Tierra y en los estudios geofísicos para la detección de anomalías magnéticas de varios tipos. También se utilizan militarmente para detectar submarinos.

II. Magnetómetros vectoriales

Magnetómetros vectoriales tienen la capacidad de medir el componente del campo magnético en una dirección particular, en relación con la orientación espacial del dispositivo.

Un vector es una entidad matemática con magnitud y dirección. El campo magnético de la Tierra en un momento dado es un vector. Una brújula magnética está diseñada para dar una dirección horizontal de apoyo, mientras que un magnetómetro vector mide tanto la magnitud y dirección del campo magnético total. Tres sensores ortogonales se requieren para medir los componentes del campo magnético en las tres dimensiones.

Magnetómetros también se pueden clasificar como "AC" si se miden los campos que varían de forma relativamente rápida en el tiempo, y "DC" si se miden los campos que varían lentamente o sólo son estáticas. Magnetómetros AC encuentran uso en sistemas electromagnéticos, y magnetómetros de DC se utilizan para la detección de la mineralización y estructuras geológicas correspondientes.

Magnetómetros vectores miden uno o más componentes del campo magnético electrónicamente. A partir de tres magnetómetros ortogonales, tanto en azimut e inmersión se puede medir. Al tomar la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las componentes de la fuerza total del campo magnético se puede calcular por el teorema de Pitágoras.

III. Magnetómetro SQUID

Es uno de los dispositivos superconductores más utilizados. Este es un detector extremadamente sensible a los cambios de intensidad del campo magnético. Se utiliza tanto en aplicaciones militares como médicas. Es capaz de detectar señales eléctricas del cerebro y el corazón con gran precisión. Se utiliza también en el paleomagnetismo, sensores geológicos para prospecciones petrolíferas.

El dispositivo de interferencia cuántica de superconducción (en inglés SQUID), consiste en dos superconductores separados por finas capas aislantes, que forman dos uniones Josephson paralelas. El dispositivo se puede configurar como un magnetómetro para detectar campos magnéticos increíblemente pequeños, suficientemente pequeños para medir campos magnéticos de organismos vivos. Los SQUIDs se han usado para medir campos magnéticos del cerebro del ratón, e investigar si habría suficiente magnetismo para atribuir su capacidad de navegación a una brújula interna.

Umbral del SQUID: 10-14 T

Campo magnético del corazón: 10-10 T

Campo magnético del cerebro: 10-13 T

La gran sensibilidad de los aparatos SQUID, tiene que ver con los cambios medidos en el campo magnético asociado con un flujo cuántico. Uno de los descubrimientos asociados con las uniones Josephson, fue que el flujo está cuantizado en unidades.

Si en un dispositivo SQUID se mantiene una corriente constante de polarización, el voltaje medido oscila con los cambios de fase en las dos uniones, los cuales, dependen de la variación del flujo magnético. El conteo de las oscilaciones, permite evaluar el cambio de flujo que se ha producido.

Existen dos tipos de SQUIDS el de corriente directa y el de radiofrecuencia. En la figura 1 se muestra un esquema de cómo está conformado un SQUID de corriente directa.

Figura N° 1

IV. Aparatos Josephson

Los dispositivos basados en las características de una unión Josephson, son valiosos en los circuitos de alta velocidad. Las uniones Josephson pueden ser diseñadas para un tiempo de conmutación de unos pocos picosegundos. Su baja disipación de potencia, lo hacen útiles en los circuitos de ordenador de alta densidad, donde el calentamiento resistivo limita la aplicabilidad de los interruptores convencionales.

Las uniones Josephson paralelas, se usan en los dispositivos SQUID, para la detección de campos magnéticos diminutos.

V. Unión Josephson

Dos superconductores separados por una delgada capa aislante, pueden experimentar un efecto túnel en los pares Cooper de electrones a través de la unión. Los pares Cooper en cada lado de la unión pueden ser representados por una función de onda similar a la función de onda de partícula libre. Por el efecto Josephson de DC, en la unión y en ausencia de tensión, puede fluir una corriente proporcional a la diferencia de fase de las funciones de onda. Por el efecto Josephson, una unión Josephson oscilará con una frecuencia característica que es proporcional al voltaje a través de la unión. Dado que las frecuencias se pueden medir con gran precisión, el dispositivo de unión Josephson se ha convertido en la medida estándar de voltaje.

La función de onda que describe un par Cooper de electrones en un superconductor, es un exponencial al igual que la función de onda de partícula libre. De hecho, todos los pares Cooper en un superconductor en ausencia de corriente, pueden ser descritos por una función de onda única, debido a que todos los pares tienen la misma fase -se dice que están en "fase coherente" (Clarke). Si dos superconductores están separados por una delgada capa aislante, entonces en los pares Cooper pueden ocurrir el efecto túnel de la mecánica cuántica, sin romper los pares. Clarke contempla esta condición como las funciones de onda de los pares Cooper en cada lado de la unión, penetrando en la región aislante y "acoplándose" en fase. Bajo estas condiciones, fluirá una corriente a través de la unión en ausencia de un voltaje aplicado (efecto Josephson DC).

VI. Medidor Estándar de Voltaje Josephson

Cuando se aplica un voltaje DC a una unión Josephson, ocurre una oscilación de frecuencia en la unión.

Como esta relación entre el voltaje y la frecuencia involucra solamente a las constantes fundamentales, y puesto que la frecuencia se puede medir con extrema precisión,

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