alkamid bio photo

alkamid

Living in the Cambridge bubble

Github

Tydzień 74/156

Cały tydzień mierzyłem nadprzewodnictwo.

Mam jeden taki projekt, o którym jeszcze przez jakiś czas pisał wprost zbyt wiele nie będę, bo jest w bardzo wczesnej fazie produkcji. Potrzebuję do niego kawałka nadprzewodnika. W temperaturze ciekłego helu (4K) jest kilka tanich kandydatów, zabrałem się więc za dość oczywisty: ołów (Pb). Nie interesuje mnie natura przejścia fazowego ani inne parametry, po prostu chcę wiedzieć czy jeśli wsadzę ołów do kriostatu i go schłodzę helem, to będzie nadprzewodził. Wydaje się oczywiste, że powinien, skoro jest nadprzewodzący poniżej 7.2K, ale kto wie, może trudno zamontować kawałek metalu w kriostacie tak żeby był dobrze schłodzony, może będzie przeszkadzać promieniowanie z zewnątrz, może jeszcze coś innego.

Jak określić, czy mój ołów nadprzewodzi? Jest taka prosta metoda, pomiar czteropunktowy (four-terminal sensing), która pozwala na precyzyjny pomiar spadku napięcia w elemencie obwodu. Jeśli więc podamy na ten obwód prąd o stałej wartości, używając źródła prądowego, i zmierzymy napięcie, to z prawa Ohma otrzymamy opór naszego elementu.

Pomiar czteropunktowy.
Pomiar czteropunktowy.

Z elektroniki jestem noga, ale mam przy sąsiednim biurku niezastąpionego Dave’a, który urodził się z woltomierzem w ręku. Opowiedział, a ja załapałem mniej więcej co jak podłączyć i zabrałem się do roboty. To był pierwszy błąd. Trzeba było najpierw chociaż oszacować wynik, żeby było wiadomo czego się spodziewać. Ja wyciąłem taki kawał:

Wykrawanie ołowiu.
Wykrawanie ołowiu.

Opór jest proporcjonalny do długości i odwrotnie proporcjonalny do przekroju. Dla powyższego kawałka w temperaturze pokojowej opór wyniósłby okolo 0.5mΩ, co jeszcze da się zmierzyć, ale przecież oporność metali spada z temperaturą o kilka rzędów wielkości. W uproszczeniu, dzieje się tak dlatego że elektrony mniej się o siebie obijają, mogą więc łatwiej przewodzić elektryczność.

Pierwszy eksperyment nie wyszedł więc, bo mój ołów był za duży. Zamiast kombinować jak go zrobić mniejszym, wziąłem się za bardziej skomplikowane pomiary. W pomiarach optycznych prawie zawsze używamy homodynowania (lock-in) — modulujemy sygnał (np. lasera) z określoną częstotliwością, a urządzenia pomiarowe ustawiamy na tę samą częstotliwość, żeby ograniczyć szum. Szumem jest wszystko: promieniowanie wokół, włączone światło, ludzie przechodzący obok. Wstawiłem więc w układ homodynę, szum był znacznie mniejszy, ale nic ciekawego nie mogłem się dopatrzyć. Ot, opór spada, ale nie do zera. Im bardziej wytężałem wzrok i odpowiednio przybliżałem wykres, tym bardziej wydawało się, że może jednak jest tam jakiś lekki spadek, ale było to na granicy szumu, więc nie było mowy o żadnym dowodzie.

W piątek przyszedł Hideaki, mój mentor w tym projekcie. Hideaki tryska entuzjazmem i znajduje wyjście z każdej sytuacji. Sprasował ołów tak, że zmniejszył jego przekrój ze sto razy, metodycznie sprawdził ze mną ten bardziej skomplikowany układ pomiarowy i wyszło, że coś z nim jest nie tak, i że wierzyć temu układowi nie należy. W końcu, gdy H. już musiał iść, wróciliśmy do podstawowego układu, zmierzyliśmy opór przy spadającej temperaturze i… zobaczcie sami:

Czy tak wygląda przejście do nadprzewodnictwa? Nie wiem, jak dla mnie powinno być bardziej gwałtownie, ale kto wie, może przy moim chałupniczym układzie nic więcej nie zobaczę. Jakby nie było, einmal ist keinmal, i w przyszłym tygodniu czeka mnie powtarzanie tego pomiaru w różnych konfiguracjach.