Явление перехода материала в сверхпроводящее состояние

 

 

затруднения:  1) обычно криогенные переключатели и запоминающие элементы строятся на тонких пленках; 2) переход из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется путем увеличения тока в цепи выше критического значения, а не под воздействием внешнего магнитного поля; 3) количество тепла, выделяемого при прохождении тока в материале, который перешел в нормальное состояние, часто весьма значительно, и это тепло удерживает материал в нормальном состоянии в течение некоторого времени после отключения критического тока или критического поля; 4) индуктивность материала в сверхпроводящем состоянии ограничивает быстродействие схемы, поэтому для ослабления магнитных полей, а следовательно, и уменьшения индуктивности необходимо использовать дополнительные сверхпроводящие экраны.

 

Криотрон на скрещенных пленках. Переключаемый пленочный криотрон можно получить, если заменить вентильный и управляющий провода тонкими пленками (порядка миллиметра шириной и микрометра толщиной). Криотроны такого типа удобны для изготовления больших матриц с высокой плотностью упаковки. Кроме того, отношение индуктивности к сопротивлению у пленок, как правило, значительно ниже, чем у проводов, а быстродействие устройств на скрещенных пленках много выше.

 

Процессы в криотроне, особенно на скрещенных пленках, весьма сложны, так как магнитное поле, создаваемое током в управляющей пленке, влияет главным образом на ту часть вентильной пленки, которая лежит под управляющей пленкой. Эта область вентиля переходит в нормальное состояние, а остальная его часть остается в сверхпроводящем состоянии или, по крайней мере, в промежуточном. Сопротивление вентиля возрастает от нуля до некоторого конечного значения, поскольку нормальная область занимает всю ширину вентильной полоски и поэтому не шунтируется параллельным участком сверхпроводящего материала.

 

sc11

 

Если управляющий ток сделать больше, то нормальная область вентильной пленки увеличивается по длине и сопротивление вентиля еще более возрастает. На кривой зависимости сопротивления вентиля от управляющего тока наблюдается порог, при котором сопротивление появляется впервые, далее следует область, где сопротивление с увеличением управляющего тока плавно возрастает. При нулевом токе вентиля вентильная пленка даже при самых высоких из обычно используемых значений управляющего тока не переходит в нормальное состояние по всей длине. При конечных фиксированных значениях тока вентиля характер зависимости, в общем, сохраняется, но при этом несколько снижается пороговая величина управляющего тока, а сопротивление вентиля, как правило, возрастает.

 

Характер описанной зависимости существенно видоизменяется под влиянием двух факторов: во-первых, в результате нагрева за счет джоулева тепла, которое может быть весьма существенным в любом криотроне; во-вторых, при использовании листа сверхпроводника в качестве пластины заземления в экранированном криотроне на скрещенных пленках.

 

Если в сверхпроводнике, например в вентиле криотрона, течет ток, то в момент переключения вентиля из сверхпроводящего состояния в нормальное в нем вследствие появления сопротивления происходит выделение тепла. Как уже отмечалось, при увеличении управляющего тока сначала только часть вентильной пленки поперечного пленочного криотрона переключается в нормальное состояние. Тепло, выделяющееся в этой нормальной области, приводит к повышению ее температуры и температуры соседнего участка материала, который находится в сверхпроводящем состоянии.

 

sc12

 

При достаточно высоком токе вентиля тепло, выделяющееся в области, лежащей непосредственно под управляющей пленкой, вызывает настолько большое повышение температуры прилежащих участков вентильной пленки, что они переходят в нормальное состояние, хотя величина поля, созданного управляющим током, явно недостаточна для этого. Появление дополнительной нормальной области приводит к возникновению дополнительного сопротивления, в результате выделяется еще больше тепла — процесс приобретает кумулятивный характер. В криотроне это приводит к тому, что сопротивление вентиля с увеличением управляющего тока возрастает значительно быстрее. Поэтому при больших вентильных токах характеристики криотрона идут гораздо круче, чем при нулевом или низких значениях тока. В этом случае характеристики криотрона лишь видоизменяются в результате нагрева материала джоулевым теплом.

 

В запоминающем устройстве на незатухающем токе переход из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется путем увеличения тока в сверхпроводнике выше критического значения. При столь большом токе в той части материала, которая первой переходит в нормальное состояние, выделяется очень большое количество тепла и тепловой импульс, распространяющийся по всему объему материала, способствует быстрому переходу всего образца в нормальное состояние.

 

Мы уже говорили, что сверхпроводящий заземляющий экран полностью исключает любое воздействие внешнего магнитного поля, так как на его поверхности возникают токи, стремящиеся нейтрализовать внешнее поле. Если внешнее магнитное поле создается током, протекающим по проводу, то сверхпроводящий экран ослабляет это поле и тем самым уменьшает эффективную индуктивность провода. По этой причине на подложку криотрона, прежде чем осаждать на ней пленки и диэлектрик, наносят сверхпроводящую экранирующую пленку. Такой криотрон называется экранированным, благодаря пониженной индуктивности его быстродействие выше, чем у неэкранированного криотрона.