15. Принципи кріоелектроніки і області застосування кріоелектронних пристроїв

Кріоелектроніка, кріогенна електроніка, направлення, що охоплює дослідження взаємодії електромагнітного поля з електронами в твердих тілах при криогенних температурах (нижче 90К) і створення електронних приладів на їх основі. У кріоелектронних приладах використовуються різні явища: надпровідність металів і сплавів, залежність діелектричної проникності деяких діелектриків від електричного поля, поява в металів при Т < 80К напівпровідникових властивостей при аномально високій рухливості електронів провідності і ін.

До кріоелектронних приладів слід віднести: кріоелектронні логічні пристрої обчислювальної техніки, що запам'ятовують; генератори, підсилювачі, перемикачі, резонатори, детектори, перетворювачі частоти, фільтри, лінії затримки, модулятори і ін. прилади СВЧ; надпровідні магнітометри, гальванометри, болометри і ін. Одним з завдань Кріоелектроніки є створення електронних охолоджувачів, а також мініатюрних приладів, що поєднують в одній конструкції електронну схему, криостат, і охолоджуючий пристрій.

Явище надпровідності відкриває можливості створення різноманітних пристроїв

обробки сигналів з маленькими втратами і високою швидкодією.

Явище надпровідності використовується в спеціальних приладах – кріотронах, в яких магнітне поле, створене у вхідному ланцюгу вхідним струмом, керує переходом від надпровідного стану до нормального надпровідного елемента вихідного ланцюга. При збільшенні струму у вхідному ланцюгу його магнітне поле може перевищити критичне поле вентиля, і вентиль перейде до нормального стану з кінцевим опором. Якщо струм через котушку зменшити, то вентиль знов повернеться до надпровідного стану з безкінечно малим опором.

За звичайних умов електрони є різночастотними, некогерентними. Вони отримують енергії більше, ніж віддають, переходячи на вищий енергетичний рівень. При температурах, близьких до температури абсолютного нуля, електрони віддають стільки ж енергії, скільки отримують, залишаючись на одному енергетичному рівні, вони стають одночастотними, когерентними.

Різке зменшення електричного опору до нуля, що спостерігається в деяких

матеріалах при низьких температурах, називається явищем надпровідності. При температурі 4,2°К опір ртуті ρ знижувався до нуля. Температура переходу до надпровідного стану Тк називається критичною. Величина її для різних надпровідників змінюється від 0,01 до 20°К.

Рівність нулю опору при кінцевій величині щільності струму означає, що

напруженість поля в будь-якій точці надпровідника дорівнює нулю.Таким чином, першою фундаментальною властивістю речовини в надпровідному стані є ідеальна провідність.

Другою фундаментальною властивістю речовини в надпровідному стані є

ідеальний діамагнетизм. Це означає, що магнітна індукція всередині надпровідника завжди дорівнює нулю, незалежно від того, чи створене магнітне поле зовнішнім джерелом, ч струмом, який тече у надпровіднику. Магнітна проникність речовини у надпровідному стані μ=0, а магнітна сприятливість χ=-1. На відміну від звичайних провідників, магнітне поле виштовхується з надпровідника.