ما المقصود بجهاز التداخل الكمي

إن جهاز التداخل الكمي فائق التوصيل، والذي يطلق عليه أحيانا باسم الحبار، وهو عبارة عن حلقة من مادة فائقة التوصيل يتم قطعها إما بواحد أو اثنين من تقاطعات جوزيفسون، وهي طبقة رقيقة من مادة عازلة، وهي أحد التقنيات للكشف عن المتفجرات المضادة للإرهاب.

ما هو جهاز التداخل الكمي

جهاز التداخل الكمي فائق التوصيل (الحبار) هو جهاز حساس للغاية لقياس المجالات المغناطيسية الضعيفة، حيث إنه قادر على قياس المجالات المغناطيسية منخفضة تصل إلى 5 aT (5 × 10 -18 T) ونظرًا لحساسيتها تُستخدم الحبار على نطاق واسع في الأبحاث والدراسات البيولوجية وغيرها من القياسات الإلكترونية والمغناطيسية فائقة الحساسية، حيث لا يمكن استشعار الإشارات الخافتة باستخدام أدوات القياس التقليدية.

يعتبر الحبار حساسًا جدًا في اكتشاف مجالات الطاقة المغناطيسية، حيث يصل حجمه إلى 100 مليار مرة أصغر من الطاقة التي تحرك إبرة البوصلة، يتكون جهاز التداخل الكمي فائق التوصيل الحبار من موصلين فائقين تفصل بينهما طبقات عازلة رقيقة لتشكيل تقاطعين متوازيين من جوزيفسون، وتم تكوين الجهاز كمقياس مغناطيسي لاكتشاف المجالات المغناطيسية الصغيرة بشكل لا يصدق.

توفر التقنية القائمة على الحبار تحديدًا كميًا للعزم المغناطيسي للتيار المستمر كدالة لطاقة الميكروويف والمجال المغناطيسي ودرجة الحرارة، ولا تحتوي أطياف (EPR) التي تم الحصول عليها على تباين في شكل الخط والوصلات التي يتم ملاحظتها بشكل شائع في وضع النقل القياسي أحادي المسار HF-EPR.

مكونات جهاز التداخل الكمي

يتكون الحبار من حلقة فائقة التوصيل تحتوي على واحد أو أكثر من تقاطعات جوزيفسون، وهناك نوعان من الحبار التردد الراديوي (RF) الحبار الذي يتكون من تقاطع جوزيفسون واحد فقط والتيار المباشر (DC) الحبار مع اثنين أو أكثر من التقاطعات حيث أن الترددات اللاسلكية أرخص في البناء ولكنها أقل حساسية مقارنة بالتيار المستمر.

يحتوي جهاز التداخل الكمومي (الحبار) النموذجي على تقاطعين متوازيين يتم إدخالهما في حلقة فائقة التوصيل، وبدون مجال مغناطيسي ينقسم تيار الإدخال بالتساوي بين الفروع، وهذا يحافظ على دائرة خزان متصلة خارجيًا عند الرنين، حيث يتسبب أي مجال مغناطيسي خارجي في حدوث تغيير في تردد الطنين في دائرة الخزان وعدم توازن تيار يؤدي إلى جهد عبر تقاطع جوزيفسون.

الجهد هو وظيفة التدفق المغناطيسي، وبالتالي يمكن قياسه واستخدامه لحساب التدفق المغناطيسي، إن المواد فائقة التوصيل المستخدمة في الحبار ذات درجة الحرارة المنخفضة هي النيوبيوم النقي أو سبائك الرصاص.

يتم تبريد الجهاز بالهيليوم السائل للحفاظ على الموصلية الفائقة، حيث تصنع الحبار عالية الحرارة من موصلات فائقة عالية الحرارة مثل الإيتريوم الباريوم أكسيد النحاس (YBCO)، ويتم تبريدها باستخدام النيتروجين السائل الأرخص والمتوفر بسهولة، ومع ذلك فهي ليست حساسة مثل نماذج درجات الحرارة المنخفضة ولكنها جيدة، بما يكفي لتطبيقات معينة.

أهمية جهاز التداخل الكمومي

يعتبر الحبار حساسًا جدًا في اكتشاف مجالات الطاقة المغناطيسية، حيث يصل حجمها إلى 100 مليار مرة أصغر من الطاقة التي تحرك إبرة البوصلة، إذ أن هذه الحساسية الشديدة تجعلها مثالية للتطبيقات شديدة الحساسية في البحث والدراسات البيولوجية والاختبارات الطبية، حيث لا يمكن قياس المجالات المغناطيسية باستخدام الأدوات التقليدية.

يتم استعمال جزيئات الحبار في معرفة قياس الإشارات الباهتة في الدماغ البشري أو القلب بواسطة استشعار الحقول المغناطيسية التي تنشأ من خلال التيارات العصبية، وتحتوي التطبيقات الأخرى على إنشاء مقاييس تدرج عالية الحساسية ومقاييس مغناطيسية وفولتميتر.

نوع واحد من الأجهزة يسمى الحبار لجهاز التداخل الكمي فائق التوصيل، حيث يعتمد على حلقة فائقة التوصيل تحتوي على واحد أو اثنين من تقاطعات جوزيفسون وتسمح بقياس الطاقة المغناطيسية الكمية، وهو ما يسمى الحبار في الحوسبة الكمومية.

أنواع جهاز التداخل الكمي

• DC الحبار: يتكون الحبار الحالي المباشر من اثنين من JJ متصلان على التوازي في حلقة فائقة التوصيل، حيث أن (DC) حبار متحيز بتيار مستمر يساوي حوالي مرتين، ويتم إنشاء جهد التيار المستمر عبر التقاطعات.

التغيير في التدفق الذي يخترق الحلقة يعزز التيار من خلال JJ ويقلل التيار عبر الآخر، يؤدي هذا إلى عمل JJs بشكل غير متماثل حيث يتم تشغيل JJ بشكل طبيعي والآخر موصل فائق، ويوفر عدم التناسق هذا تيار تغذية مرتدة يبطل التدفق الذي يخترق حلقة الحبار.

التدفق الكلي داخل الحلقة هو مضاعفات ϕ 0، ومع ذلك من خلال قياس انخفاض الجهد عبر المقاوم التغذية المرتدة يمكن قياس الدقة الدقيقة لتغيرات التدفق الخارجي، إن تيار التغذية المرتدة هو مقياس مباشر للتغيرات في التدفق المطبق على الحبار.

• RF الحبار: في RF حبار يقترن التدفق في حلقة تحتوي على JJ واحد من خلال ملف إدخال وملف RF، ويعد ملف RF جزءًا من دائرة طنين عالية Q لقراءة التغييرات الحالية بسبب التدفق المستحث في حلقة حبار.

ويتم تشغيل الدائرة المضبوطة بواسطة مذبذب RF ثابت مقترن بشكل ضعيف بالحلقة، حيث يتم قياس التغيير في تيار ملف الإدخال عن طريق حساب عدد الفترات التي ينتجها الملف في خرج التردد اللاسلكي المكتشف؛ لأن خروج التردد اللاسلكي المكتشف هو وظيفة دورية.

تقدم DC حبار حساسية أعلى لكن تظل RF حبار شكلاً شائع الاستخدام من المستشعرات؛ بسبب سهولة تصنيعها وانخفاض سعرها على دفعات صغيرة.

تطبيقات جهاز التداخل الكمومي

• يمكن استخدام الحبار لمجموعة واسعة من أغراض القياس التي يوفر فيها عنصر مساعد تيار إشارة لملف اقتران الإدخال، وتعتبر مقاييس المغناطيسية الحبار تطبيقًا واعدًا للموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة العالية.

• كانت الحساسيات قابلة للمقارنة مع الحبار التجاري منخفض الحرارة في أجهزة المختبر، حيث أن مقياس التدرج هو تعميم مهم لمقياس المغناطيسية الحبار، لا يقيس كثافة التدفق نفسه لكنه مشتق مكاني لكثافة التدفق، ويمكن تحقيق ذلك عن طريق استبدال حلقة التقاط واحدة بحلقة التقاط واحدة أو أكثر.

• تعد مقاييس التدرج مهمة للكشف عن الإشارات المغناطيسية الضعيفة التي يتم إنشاؤها محليًا في وجود إشارات ضوضاء متداخلة، على سبيل المثال في الدراسات المغناطيسية العصبية للدماغ البشري يمكن إجراؤها وسط ضوضاء مغناطيسية حضرية.

• يمكن استخدام الحبار لإنشاء مقياس جهد حساس للغاية، حيث يتم توصيل مصدر الجهد بمدخلات الحبار من خلال مقاومة معروفة ثم ينتج التيار من خلال ملف الإدخال تدفقًا في الحبار.

• يمكن تصوير الحقول المغناطيسية الموجودة فوق سطح العينة باستخدام مجهر المسح الحبارى (SSM)، ويمكن استخدام كل من الحبار عالية ومنخفضة T c في هذا التطبيق، ويتم تثبيت حبار صغير على طرف ثم يتم تنقيطه بالقرب من السطح المقاس، تُستخدم أجهزة المسح الحباري (SSM) في العديد من التطبيقات في المغناطيسية الحيوية وعلوم التآكل والتقييم غير المدمر ودراسات الموصلية الفائقة.

أصبح استخدام الحبار في التنقيب عن النفط واستكشاف المعادن والتنبؤ بالزلازل ومسح الطاقة الحرارية الأرضية أكثر انتشارًا مع تطور تكنولوجيا الموصلات الفائقة، كما تُستخدم أيضًا كأجهزة استشعار دقيقة للحركة في مجموعة متنوعة من التطبيقات العلمية مثل اكتشاف موجات الجاذبية.