超导量子干涉器及应用_钟青
现代计量测试1998年第3期
超导量子干涉器及应用
钟 青 乔蔚川
(中国计量科学研究院,北京 100013)
摘要:作为灵敏度极高的磁传感器,超导量子干涉器的制作工艺日臻完善,它的应用也愈来愈接近现实。本文
简要介绍它的原理及应用。
一、引言
超导量子干涉器,简称
SQUID(
SuperconductingQuantumInterferenceDevice),是一种灵敏
度极高的磁通-电压传感器。它通常含有一个或更多的约瑟夫逊结。约瑟夫逊结是两个超导体之间
的弱连接,可以通过小于临界电流的超导电流。
按器件工作时偏置方式不同,SQUID可分为直流(DC-)和射频(RF-)两种,如图1。DC-SQUID
是在一个超导环路中插入两个约瑟夫逊结。当偏置的直流电流略大于两个结的临界电流之和时,器
件的阻抗和器件两端的电压是穿过环路的外磁通量的周期函数,其周期为一个磁通量子
0(
0=
2.07×10-15
Wb)。RF-SQUID是在一个超导环路中插入一个约瑟夫逊结。射频电流通过谐振槽路
的电感耦合到超导环路中。槽路的阻抗和输出电压随穿过超导环的磁通而周期变化。环中磁通每增
加或减少一个磁通量子,输出电压变化一个周期。
图1 (
a)
DC-
SQUID (
b)
RF-
SQUID
在偏置电流上加一个调制信号,用锁相放大器测量输出电压,并线性化电压与磁通的关系,如
图2。最后,SQUID输出一个与穿过超导环路的磁通呈线性关系的电压。
SQUID的优点主要表现在:(1)极高的灵敏度。在低温方面,
DC-
SQUID磁场灵敏度最好的是
2fT/Hz1/2[1]
;在高温方面,RF-SQUID最好的磁场灵敏度为15fT/Hz1/2[2]
;磁通灵敏度为10×10-6
0/Hz1/2[2]
。(2)极大的动态范围,高温仪器可达到±400
0[3]
。(3)极好的线性度,通常的磁测量仪器
都是非线性或局部线性的,而SQUID是线性的。(4)极快的响应时间,即摆率大,大于1.2×106
0/s[2]
。
3
图2
DC-
SQUID磁强计的简化电路图解
(5)极大的频带宽度,大于15
MHz[3]
。
作为磁通电压变换器,
SQUID可以用来测量磁通及可转变为磁通的其它物理量,如电流、电
压、电阻、电感、磁感应强度、磁场强度、磁化率、温度、位移以及射频衰减、射频功率等,具有广泛的
应用领域。
二、发展
1962年,约瑟夫逊发表了第一篇关于约瑟夫逊结的论文。在此以后二十年,这个理想迅速发展
成为具有广泛实际应用的专门领域。1964年第一次研制成功工作于液氦温度有两个约瑟夫逊结的
直流
SQUID。当时制结工艺不成熟,无法作出特性一样的两个约瑟夫逊结,所以器件性能较差,无
法实用。1970年,出现了射频
SQUID。其单结结构对工艺要求较低,很快就研制出灵敏度达到10-14
T/
Hz1/2
的
RF-
SQUID磁强计。1973年国际上有产品出售。之后出现了超导电流比较仪、磁化率计、
生物磁强计等。到八十年代初,薄膜
SQUID的出现,制结效率的提高,更促进了
SQUID的实用。现
在,工作于液氦温度,以Nb隧道结为基础的超导集成电路技术已相当成熟。为了进一步提高仪器
的灵敏度,人们除了努力提高器件性能外,还将RF-SQUID的工作频率从20MHz提高到200MHz,
从而改善了仪器的信噪比。
六十年代发展起来的
SQUID只能工作在液氦沸点温度4.2
K(-269℃),称为低
TcSQUID。
它虽然有惊人的灵敏度,但价格昂贵,操作复杂,使
SQUID的应用受到很大限制。1987年,
IBM公
司研究室的缪勒(K.A.Muller)发现了超导转变温度在34K的材料,其他工作者又研制出100K以
上的超导材料。这时,世界上掀起了超导热。各主要工业国,特别是较发达的美国、德国、日本等,都
投入了大量的人力和物力,研究超导技术和应用。随后用这类材料制成的体材和薄膜SQUID相继
问世。它们工作在液氮沸点温度77
K(-196℃),称为高
TcSQUID。
高
TcSQUID价格便宜,操作简便,克服了低
TcSQUID的缺点。但是由于工作温度提高,高
TcSQUID的灵敏度略逊色于低TcSQUID。另外,与低温金属超导体不同,高温超导材料是陶瓷
性的,延展性差,不易加工为线、带材。现在,高Tc结的制备已基本满足电性能的要求。RF-SQUID
的磁场灵敏度达到15fT/Hz1/2[2]
,DC-SQUID达到17fT/Hz1/2[4]
。
SQUID制备工艺成熟后,人们对
DC和
RFSQUID进行了比较。1997年,德国的
B.
Chesca进
行了全面的理论研究。如果将
RF-
SQUID的参数选为
=1,
≤2,或
=2/
,
≥2,
RF-
SQUID的
能量分辨率可优于DC-SQUID近一个量级。理论计算结果见图3。为了比较有人设计了特殊的器
件。根据工作方式和电子线路不同,它既可以用作DC-SQUID,也是RF-SQUID。通过一个器件两
4
图3 直流和射频SQUID能量分辨率比较种测试方法,发现RF噪声比DC低一个量级。
目前,低温SQUID已经投入实用,高温SQUID
正在向实用化发展。
三、应用
SQUID优良的性能,决定了它有广泛的用途。目
前,它主要应用于计量测试、生物磁测、无损检测、低
频通讯和位置检测等。
1.计量测试
由于SQUID是最灵敏的磁通传感器,一切可以
转变成电流、电压的物理量,均能用SQUID进行测
量。目前,在计量测试领域中,低温
SQUID主要用于
量子化霍尔电阻基准的测试[16]
。由于量子化霍尔电
阻是非整数电阻,若用哈莫网络将它传递到1欧姆实物基准,必须经过多次传递。长传递链降低了测
试精度,不能满足现代计量的要求。采用由SQUID组成的超导电流比较仪进行此传递,只需要两
步。测量精度优于1×10-9
,另外,用高温
SQUID研制的检流计[11]
,精度达到10-12
安培。
2.生物磁测
近二十年,世界上学术界和工业界的研究人员在发展和提高SQUID磁强计的同时,着重研究
用这项技术探测心、脑、肺、肝、神经、躯体肌肉、胃、肠、眼睛及其它器官的磁信号。目前主要是心磁
和脑磁的测量。
世界上每年有20%的人死于心脏病突发。定期检查可以预防心脏病突发。由于心电图是不封闭
的一次信息,而用SQUID磁强计作的心磁图是封闭的二次信息,因而信息更全面,可以及早发现
病情。在测量胎儿心电图时,胎儿的信号淹没在母体的信号中,很难分辨。而测量胎儿心磁图则可以
得到较清晰的胎儿心跳情况,受母体干扰较小。另外,用SQUID磁强计可以确定心梗病人的栓塞
位置。
由于脑磁信号较弱,脑磁图的测量主要是用低温多通道SQUID强强计。脑磁图的研究有助于
诊断中风、脑损伤、精神错乱等,也有助于人们对生命科学的研究,如人眼看到光后,在脑中有何反
映等。
由于人体表面生物磁场的典型值是10-14
至10-11
T,而地球磁场的变化和城市磁噪声约为10-8
T。
这一方面对最灵敏的
SQUID提出了挑战,另一方面要求
SQUID工作时必须进行很好的屏蔽。目
前通常是在屏蔽室中采用一次梯度计。
3.无损检测
为了飞机的安全,其机壳和滑行轮的钢圈都需要检测,而它们都是多层结构的金属。目前,无损
检测的仪器主要是
X射线和超声波检测仪。由于
X射线和超声波会在多层金属界面反射,所以这
些仪器无法对多层金属结构进行检测。SQUID可以利用涡流检测多层金属。德国人作了这样的实
验。在断裂的铝板上叠放半米厚的铝板。用SQUID可以检测出明显的信号。他们已将这套系统试
用于机壳、滑行轮钢圈、桥梁拖缆等的检测,并得到满意的结果。
此外,在核磁共振系统中,英、美、法等国用低温
DCSQUID作为信号前置放大器,它输出信号
的振幅比通常放大器好一或二个数量级[17]
。美国还用高温SQUID探测核磁共振信号和制作成像。
5这套系统可用于麻醉剂和高能炸药的远程探测。
4.低频通讯
由于海水是导电介质,当电磁波向水下传输时,趋肤深度随频率降低而增加。所以,一般通讯用
的电磁波频率较高,无法传到水下。这样,潜艇与外界通讯时必须浮出水面,或在水中使用拖曳电缆
天线或铁氧体磁芯的螺管天线进行通讯。由于波长与频率成反比,低频段的波长长,其信号接收天
线相当庞大和笨重。另外,由于甚低频电磁波在水中也有衰减,要求接收灵敏度低的天线离水面较
近。因此,这些通讯方式会影响潜艇运行的隐蔽性和灵活性。
如果将低噪声的
SQUID放大器与一个超导线绕制的环天线连接,就构成一个极灵敏的天线。
这种天线不仅体积小,而且其灵敏度高出通常天线几个数量级。这样它可以在水下100米到200米处
接收甚低频信号,具有极强的隐蔽性。
美国海军实验室已于七十年代中期,做了低温SQUID甚低频天线,并在潜艇中实验[5]
。实验
结果表明:当信号频率低于100Hz时,水下接收机的噪声水平应好于10fT/Hz1/2
。作为甚低频接收
天线,SQUID具有足够的灵敏度、线性和动态范围。运用水压稳定浮标和运动补偿技术,在100米深
度的海底,SQUID全向接收天线接收到了甚低频信号。此系统可连续工作120天。
5.位置检测器
在Jena大学关于重力实验和相对性原理的研究中,低温DC-SQUID被用作超高灵敏度的位
置检测器。被测对象上置有超导薄膜,一对探测线圈反向串联,并分别放在上述超导膜的两侧[6]
。将
这一探测线圈与SQUID的输入线圈相连后,被测物的微小位移会在SQUID中引起很大的输出。
其位移分辨率为4.2×10-14
米/Hz1/2
。
此外,高温SQUID还用来检验运动的微小磁粒子,如磁性细菌等[9]
,低温SQUID用来分析流
体样品中抗原和抗体间的反应,SQUID用于地球物理测量[7,8]
、扫描显微技术[14,15]
、作红外探测
器[13]
、低温噪声温度计[10]
、剩磁测量仪[12]
等。
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超导量子干涉器件(SQUID)实验
超导量子干涉器件（SQUID）实验
超导量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device，简称SQUID）是一种基于超导技术的重要量子器件，广泛应用于量子计算、磁共振成像等领域。SQUID的工作原理基于超导性材料的独特性质，能够对微弱磁场进行高灵敏度的检测，是研究量子效应和探测微弱信号的理想工具。
SQUID的基本原理
SQUID由两个超导性材料环组成，中间夹有一细弯曲区域。这种结构能够支持超导电流环路并产生量子干涉效应。当SQUID处于超导态时，可以通过外加磁场来改变SQUID中的超导电流，并观察到磁通量与电流之间的关系。
SQUID实验装置
进行SQUID实验需要精密的实验装置，包括超导量子干涉器件、低温冷却系统、高灵敏度的探测器等。在实验过程中，通过调控外部磁场或电流来对SQUID进行操控，并记录下SQUID的输出信号。利用这些信号可以研究SQUID的性能、工作特性以及微弱磁场的探测能力。
SQUID实验应用
SQUID作为一种高灵敏度的磁场探测器，在磁共振成像、生物磁信号检测、地球磁场测量等领域发挥着重要作用。通过SQUID实验可以研究超导性质、磁场效应、量子干涉等现象，为量子技术和磁共振应用提供支撑。
结语
超导量子干涉器件（SQUID）作为一种重要的量子器件，在科学研究和应用领域有着广阔前景。通过实验研究SQUID的工作原理和性能，可以深入了解量子效应并为未来量子技术的发展提供实验基础。SQUID实验的不断深入研究将推动科学技术的不断进步，为人类社会带来更多惊喜和发展机遇。
超导量子干涉仪发展和应用现状
第27卷第5期低 温 物 理 学 报Vol.27,No.52005年11月CHINESEJOURNALOFLOWTEMPERATUREPHYSICSNov.,2005
超导量子干涉仪发展和应用现状
陈 林 李敬东 唐跃进 任 丽
华中科技大学超导电力科学研究与发展中心,武汉 430074
作为灵敏度极高的磁传感器,超导量子干涉仪(即SQUID)在生物磁测量,大地测量,无损探伤等方面获得了广泛的应用.本文主要介绍了超导量子干涉仪的基本原理,制作工艺以及发展现状,并总结了目前的应用热点和国内外研究进展,对我国如何开展该方面的研究进行了探索和分析.
关键词:SQUID,约瑟夫森结,梯度计PACC:7450
1 引 言
SQUID实质是一种将磁通转化为电压的磁通传感器,其基本原理是基于超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象.以SQUID为基础派生出各种传感器和测量仪器,可以用于测量磁
场,电压,磁化率等物理量.被一薄势垒层分开的两块超导体构成一个约瑟夫森隧道结.当含有约瑟夫森隧道结的
超导体闭合环路被适当大小的电流偏置后,会呈现一种宏观量子干涉现象,即隧道结两端的
电压是该闭合环路环孔中的外磁通量变化的周期性函数,其周期为单个磁通量子Ф0=2.07×10-15Wb,这样的环路就叫做超导量子干涉仪.根据SQUID的现状和发展,本文重点对目前的应用热点和研究进展进行分析,并指出
了要解决的问题和相应对策.
2SQUID磁强计
SQUID根据所使用的超导材料,可分为低温超导SQUID和高温超导SQUID.又可根据超导环中插入的约瑟夫森结的个数分为RF2SQUID和DC2SQUID.
2.1低温DC2SQUID目前大部分低温DC2SQUID采用Nb/ALOx/Nb隧道结工艺制作,并包含有一个铌膜制成的平面方形垫圈.在垫圈上沉积多匝的铌输入线圈,与SQUID环孔有效耦合.Nb/
ALOx/Nb隧道结这一工艺由Gurvitch等人首先提出,在Nb/Si/Nb选择Nb阳极氧化工艺(SNAP)的基础上,改用Al氧化层做位垒,用反应离子刻蚀技术形成结区,发展成选择Nb
超导量子干涉器件(SQUID)实验 2
超导量子干涉器件（SQUID）实验
超导量子干涉器件（SQUID）是一种基于超导电性的精密探测器件，常被用于磁测量和量子计算等领域。SQUID的精密度和灵敏度使其成为一种理想的量子探测器，能够探测微弱的磁信号。
SQUID的工作原理
SQUID器件由两个超导环组成，其中一个称为RFQ（Readout Flux
Quantization）环，另一个为Junction环。RFQ环用于读取磁通量变化，Junction环用于实现超导-正常态-超导（SNS）结构，其中正常态部分是由绝缘层和非超导性金属组成的。
SQUID的工作原理可以归结为量子干涉效应。当外加磁场导致SNS结构中的非超导性金属部分出现电流时，SQUID器件中产生的磁通量将导致干涉效应的出现，使SQUID可以极其敏感地检测微小的磁场变化。
SQUID实验的搭建过程
在进行SQUID实验之前，需要首先搭建一个实验平台，通常包括超导材料的制备和测量系统的构建。首先制备超导材料，制备SQUID器件所需的超导环和Junction环。其次，在实验室中搭建相应的电路和测量系统，确保实验平台的稳定性和精确度。
SQUID实验的数据处理与分析
在进行SQUID实验后，需要对实验得到的数据进行处理和分析。通常会进行数据平滑、滤波和干涉效应的计算等步骤，以获取准确的磁场测量结果。通过对数据的分析，可以获得具有高灵敏度和高精度的磁场测量数据。
SQUID在量子计算中的应用
除了在磁测量领域中的应用外，SQUID还被广泛应用于量子计算领域。SQUID作为一种高灵敏度的量子探测器，可以用于量子比特的读出和控制，为量子计算的发展提供了重要支持。
结语
超导量子干涉器件（SQUID）是一种重要的超导量子探测器件，具有高灵敏度和高精度的特点，被广泛应用于磁测量和量子计算等领域。通过深入研究SQUID的工作原理和实验方法，可以更好地理解其在科学研究和技术应用中的作用和意义。
超导量子干涉仪工作原理
超导量子干涉仪工作原理
超导量子干涉仪是一种基于超导量子体系设计的测量仪器，它的工作原理是基于超导体系统的准粒子行为和规律调控，通过一系列电磁场控制和物理量测量，得到量子态的相关信息。
其工作原理基于量子力学的相干性原理，即用具有二分性的粒子来探测环境，通过相干性的叠加来得到粒子的路径信息和相位差异，从而实现对量子态的操控和测量。超导体系中的超导电流具有特殊的准粒子性质，其利用特定的线路设计，可以实现量子叠加态的制备、演化以及读取。
量子干涉仪的输入和输出端分别是两个超导量子比特，分别控制和读取系统的量子态。控制端的超导量子比特通过外加的微波脉冲和磁场脉冲调整自身的能级，实现制备和演化过程，从而得到量子态的干涉效应。读取端的超导量子比特则通过量子测量的方式，测量输入量子态的性质，推断其在输出端的状态。
其实现原理基于两个特定类型的超导线材被放置在一定距离内，这两个线圈间存在磁场相互作用，当两个线圈内的超导电流达到一定条件后，会形成超导电流环，从而形成量子干涉效应。量子态的制备、演化和读取都是经过特定的调控和测量方法所实现的，具体的过程和方法需要依赖于具体的实验环境和系统状态。
在实际应用中，超导量子干涉仪可以用于量子计算、量子通信等领域，具有高精度、高灵敏度、高速度等优良的特性。随着量子计算和量子通信技术的发展，该仪器的应用前景也将越来越广泛。
超导量子干涉传感器简介
超导量子干涉磁强计简介
关键词：约瑟夫森效应、SQUID、超导
正文：
一、超导量子干涉磁强计的应用：
超导量子干涉（Super Conducting Quantum Interference Device）磁强计，是利用约瑟夫森（Josephson）效应设计的极敏感的磁传感器，最高可用于探测T的磁场，是目前为止检测灵敏度最高的磁敏传感器。SQUID磁强计被应用于主要应用于物理、化学、材料、地质、生物、医学等领域各种弱磁场的精确测量，如生命科学中对人体心、脑磁波的测量，极低温下的核磁化率、超导体在Tc附近磁化率的涨落、在很宽温度范围内生物化学样品的磁化率，以及岩石磁力等。当然由于其昂贵的造价，目前其市场占有率较霍尔元件传感器偏低，但其突出的高灵敏度将使其不断普及。
二、超导量子干涉磁强计的补偿思路：
由于在量子控制中，被控对象的状态易受环境影响，故应考虑引入环境工程的思想，用冷却阱、低温保持器等控制周围环境，使周围环境中的物质处于能量较低的状态，以减小对对象的影响。而与此同时量子传感器在探测对象量子态时也可能引起对象或传感器本身状态的不稳定，这就要考虑将测试系统的哈密顿量也计算到被测系统中进行计算。当然冷却阱需要巨大的功率维持、将测试系统的哈密顿量考虑在内也并不是一件简单的事。
三、超导量子干涉磁强计的工作原理：
2、SQUID灵敏度：
在小超导环中，电流能够持续流动，但由周期性边界条件的限制，只有某些分立的状态能够存在。电流的量子化使得磁通也必将是量子化的。量子化单位是：
其中n为量子数，为内磁通量，为磁通量子，是磁通变化的最小单位，L为回路自感，为回路循环电流。
当外磁通量通过超导环时，循环电流通过状态的改变，即量子数发生改变使得净磁通量为最小化，由楞次定律，将在反方向产生电流。故可知量子数n的变化是外加磁通的象征，是以为单位的。
对给定的磁通密度，由于量子化，对磁场的检测灵敏度存在极限，对面积为A的超导环，其量子灵敏度极限为，故A的增大可提高灵敏度。但为保证量子干涉效应显著，其尺寸不能过大。通常用低阻接收线圈（不一定是超导）将磁通耦合到超导环（如图）形成变换以增大超导环有效面积，因而放大了有效磁通密度，提高检测灵敏度。
超导量子干涉仪
超导量子干涉仪
超导量子干涉仪
—Josephson结的应用
荷兰Leiden大学学者Kamerlingh Onnes于1911发现超导现象 ,之后超导现象引起了各国科学家和学者的关注,超导方面的研究也随之突飞猛进,逐渐发现了超导现象的各种特性,这其中包括零电阻效应,完全抗磁性效应(Meissner效应),二级相变效应,单电子隧道效应,约瑟夫逊(Josephson)效应.下面主要给大家阐述Josephson 效应和Josephson 结及其的应用——超导量子干涉仪.
一,Josephson 结
两块超导体中间夹一薄的绝缘层就形成一个Josephon结.例如,先在玻璃衬板表面蒸发上一层超导膜(如铌膜),然后把它暴露在氧气中使此铌膜表面氧化,形成一个厚度约为1～3nm的绝缘氧化薄层.之后在这氧化层上再蒸发上一层超导膜(如铅膜),这样便做成了一个Josephon结.
图 1 Josephon结(a)及电子对通过势垒中的"隧道"(b)_
二,Josephson 效应(双电子隧道效应)
按经典理论,两种超导材料之间的绝缘层是禁止电子通过的.这是因为绝缘层内的电势比超导体中的电势低得多,对电子的运动形成了一个高的"势垒".超导体中的电子的能量不足以使它爬过这势垒,所以宏观上不能有电流通过.但是,量子力学原理指出,即使对于相当高的势垒,能量较小的电子也能穿过(图1(b)),好像势垒下面有隧道似的.这种电子对通过超导的Josephon结中势垒隧道而形成超导电流的现象叫超导隧道效应,也叫Josephon效应.
Josephon结两旁的电子波的相互作用产生了许多独特的干涉效应,其中之一是用直流产生交流.当在结的两侧加上一个恒定直流电压U时,发现在结中会产生一个交变电流,而且辐射出电磁波.这交变电流和电磁波的频率由下式给出:
_
测定一定直流电压下所发射的电磁波的频率,利用上式就可非常精确地算出基本常数e和h的比值,其精确度是以前从未达到过的 .
高温超导量子干涉器磁强计在地球物理勘查中的应用研究
高温超导量子干涉器磁强计在地球物理勘查中的应用研究
引言：
地球物理勘查是一种通过对地球物理场的测量和解释，来研究地壳内部构造和物质的物理性质的科学方法。在传统的地球物理勘查中，磁力计是一种常用的仪器，用于测量地球磁场的性质。但是传统的磁力计存在着一系列的问题，如灵敏度较低、耗能高等。为了解决这些问题，高温超导量子干涉器磁强计被引入到地球物理勘查中，取得了很大的进展。本文将对高温超导量子干涉器磁强计在地球物理勘查中的应用进行研究和探讨。
一、高温超导量子干涉器磁强计的原理
高温超导量子干涉器磁强计是基于超导量子干涉的原理来进行磁场测量的一种新型仪器。超导量子干涉是一种基于量子力学效应的测量方法，其基本原理是利用超导电流的量子干涉效应来实现对磁场的高精度测量。高温超导量子干涉器磁强计通过将高温超导材料制成微米尺度的环状结构，然后利用量子隧穿效应锁定超导电流，从而实现对磁场的测量。
二、高温超导量子干涉器磁强计在地球物理勘查中的应用
1.磁性矿产资源勘探：
地球上的磁性矿物质在地磁场的作用下会产生一定的磁化强度，通过测量地磁场的性质可以确定磁性矿体的位置和分布，从而进行磁性矿产资源的勘探。高温超导量子干涉器磁强计具有高灵敏度和高分辨率的特点，可以更准确地测量地磁场的性质，提高磁性矿产资源勘探的效率和准确率。
2.地壳构造研究：
地球的地壳内部存在着各种不同的构造，如断层带、岩浆岩体等。通过测量地磁场的性质，可以研究地壳的构造演化过程和变化规律。高温超导量子干涉器磁强计具有高时间分辨率和高重复性的特点，可以对地壳构造的演化过程进行连续性的观测和监测，提供更多的地质信息。
3.地下水资源勘探： 地下水资源是一种重要的自然资源，对人类社会的生存和发展具有重要的意义。通过测量地磁场的性质，可以确定地下水的走向和分布，从而进行地下水资源的勘探和评价。高温超导量子干涉器磁强计具有高灵敏度和高时间分辨率的特点，可以对地下水的动态变化进行实时监测和分析，提供更准确的地下水资源评估结果。
超导量子干涉器无损检测理论与仿真
2012年第
30期
渊总第
45期冤科技视界Science&TechnologyVision
SCIENCE&TECHNOLOGYVISION科技视界0引言
超导量子干涉器
渊SQUID冤作为当今最灵敏的探测器之一
袁在很多
领域得到了充分的应用
遥SQUID是基于约瑟夫森效应和磁通量子化效
应基础上发展起来的超导量子干涉器件
遥探伤基理主要是通过材料的
磁性反常来探测缺陷
遥如果导体中存在裂缝
袁电流
渊或涡流
冤在导体中
流动时会绕过缺陷而重新分布
遥通过
SQUID检测该电流产生的磁场
就可以得到缺陷的相关信息
遥
1SQUID检测原理
直流超导量子干涉器的结构如图
员所示
院将
2个约瑟夫森结并联
在一起构成超导环路
袁就构成了
SQUID这种超导微电子器件
遥在双结
SQUID中
袁两个超导路径未被短路
袁器件偏置电流略大于临界电流
Ic遥
可测量两端电压
袁观测直流
I-V特性
袁在解释有关
SQUID的工作原理
时
袁主要的依据为超导环路中包含的总磁通量必须满足磁通量子化条
件
袁不满足时将进行相关的补偿以达到该条件
袁即
椎=n椎
0渊总磁通量
为磁通量子的整数倍
袁其中
椎为磁通量子
冤遥噎噎渊1冤
图
员
根据约瑟夫森方程
袁流经两结的结电流分别为
院
I
1=I
csin覬
1噎噎渊2冤
I
2=I
csin覬
2噎噎渊3冤其中
覬
1袁覬
2分别为结的宏观量子相位差
袁I
c为临
界电流
遥
在得到结
1与结
2的电流后
袁流过超导环的总电流
I为
院
I=I
1+I
2=I
csin渍
1+I
csin渍
2=2I
csin渊渍
1+渍
2-渍
12冤cos渊渍
2-渍
12冤噎噎渊9冤
由于相位差可以表示为
驻渍=2e攸Vt袁电压与时间的乘积可表示为
磁通量
椎袁于是可以得到
驻渍=2e攸椎因为有
攸=h
2仔椎
0=h
2e可得驻渍2
=渍
2-渍
12=2e仔h覬=仔覬
覬
0噎噎渊10冤将
渊10冤代入
渊9冤中可得总电流表达式为
院I=2I
csin渊渍
1+仔椎
椎
0冤cos
渊仔椎
椎
0冤噎噎渊11冤
当
sin渊渍
1+仔椎
椎
0冤=1时
袁超导环中有最大电流
院
I
max=2I
ccos渊仔椎
超导量子干涉器及应用_钟青
现代计量测试1998年第3期
超导量子干涉器及应用
钟 青 乔蔚川
(中国计量科学研究院,北京 100013)
摘要:作为灵敏度极高的磁传感器,超导量子干涉器的制作工艺日臻完善,它的应用也愈来愈接近现实。本文
简要介绍它的原理及应用。
一、引言
超导量子干涉器,简称
SQUID(
SuperconductingQuantumInterferenceDevice),是一种灵敏
度极高的磁通-电压传感器。它通常含有一个或更多的约瑟夫逊结。约瑟夫逊结是两个超导体之间
的弱连接,可以通过小于临界电流的超导电流。
按器件工作时偏置方式不同,SQUID可分为直流(DC-)和射频(RF-)两种,如图1。DC-SQUID
是在一个超导环路中插入两个约瑟夫逊结。当偏置的直流电流略大于两个结的临界电流之和时,器
件的阻抗和器件两端的电压是穿过环路的外磁通量的周期函数,其周期为一个磁通量子
0(
0=
2.07×10-15
Wb)。RF-SQUID是在一个超导环路中插入一个约瑟夫逊结。射频电流通过谐振槽路
的电感耦合到超导环路中。槽路的阻抗和输出电压随穿过超导环的磁通而周期变化。环中磁通每增
加或减少一个磁通量子,输出电压变化一个周期。
图1 (
a)
DC-
SQUID (
b)
RF-
SQUID
在偏置电流上加一个调制信号,用锁相放大器测量输出电压,并线性化电压与磁通的关系,如
图2。最后,SQUID输出一个与穿过超导环路的磁通呈线性关系的电压。
SQUID的优点主要表现在:(1)极高的灵敏度。在低温方面,
DC-
SQUID磁场灵敏度最好的是
2fT/Hz1/2[1]
;在高温方面,RF-SQUID最好的磁场灵敏度为15fT/Hz1/2[2]
;磁通灵敏度为10×10-6
0/Hz1/2[2]
。(2)极大的动态范围,高温仪器可达到±400
0[3]
。(3)极好的线性度,通常的磁测量仪器
都是非线性或局部线性的,而SQUID是线性的。(4)极快的响应时间,即摆率大,大于1.2×106
超导器件在量子计算中的应用
超导器件在量子计算中的应用
量子计算作为一种新兴的计算模式，正在引起全球范围内的广泛关注。与传统的计算方式相比，量子计算依赖于量子比特（qubit）的超强并行性和量子叠加态，能够在某些特定情况下比传统计算速度更快。而超导器件作为实现量子计算的关键技术之一，正日益成为科学家们研究的热点。
超导器件是一类能够在极低温下输送电流而无能量损耗的器件。在量子计算中，超导器件主要用于实现量子比特的存储和操作。目前，超导量子比特已经被广泛研究并取得了一些进展。相较于其他实现量子比特的方式，如离子阱和量子点，超导器件具有易于相互耦合、精确控制和较长的相干时间等优势，因此在各种实验平台中得到了广泛应用。
一种常见的超导器件是超导量子干涉体系（SQUID）。SQUID是由超导环和两个Josephson接合构成的，能够用来测量磁通和电流。在量子计算中，SQUID可以作为量子比特的操作单元，实现量子门操作和量子态的读写等功能。通过精密的控制和调节，SQUID可以实现高度稳定的量子比特，从而提高量子计算的精确度和稳定性。
除了SQUID之外，还有一种重要的超导器件是超导量子干涉器（DC SQUID）。DC SQUID是一种基于超导材料的同轴电感器，能够将电流和磁通之间的关系转化为电压。在量子计算中，DC SQUID常常用于测量量子比特的状态，并将其转化为可读取的电信号。通过 DC SQUID，科学家们能够实时监测和测量量子比特的态，从而实现量子计算中的反馈和控制。
值得一提的是，超导器件在量子计算中还可以用于构建量子纠缠态。量子纠缠是一种特殊的量子态，其中两个或多个量子比特之间的状态存在依赖关系。通过超导器件的耦合和操作，科学家们可以在量子计算中创建高度纠缠的量子比特，从而实现量子计算中的并行计算和量子通信等任务。这在某些特定的问题中可能会大幅提高计算的效率和速度。 除了在量子计算中的应用，超导器件还具有广泛的应用前景。例如，超导量子比特可以用于模拟量子相变和量子自旋模型等物理过程，帮助科学家们更好地理解和探索量子世界的规律。此外，超导器件还可以用于建立量子传感器，实现对微弱信号和场量的高灵敏度探测。