超导量子干涉仪

图2 SQUID构造
图3 超导量子干涉仪示意图
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SQUID的简单原理
先讨论一个结的情况。库珀对是玻色子，故 它能通过隧道效应穿过势垒。当 V≠0 时，库 珀对从结的一侧贯穿到另一侧，必须将多余 的能量释放出来，即发射一个频率为v的光子， 其中v=2eV/h, 相当于电子对穿过结区时，将 在结区产生一个沿与结区平面平行的方向传 播的、频率为v的电磁波，表明在结区有一交 变的电流分布（见图4）
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又例如，心、脑电图的测量都需要使用同人体接触的 电极片，而电极片的干湿程度及同人体接触的松紧程 度都会影响测量的结果，同时因使用电极片，不能离 开人体，故只能是2维空间的测量，但是心、脑磁图却 是使用可不同人体接触的测量线圈(磁探头)，既没有接 触的影响，又可以离开人体进行3维空间的测量，可得 到比2维空间测量更多的信息。再例如，实验研究结果 表明，心、脑磁图比心、脑电图具有更高的分辩率。 还有除了心、脑磁图外，到目前已经测量研究了人体 的眼磁图、肌(肉)磁图、肺磁图和腹磁图等，取得了人 体多方面的磁信息。图5显示出一位癫痫病人头部由脑 磁场测量确定的脑神经缺损区病灶。
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。
3. SQUID的应用
(1)SQUID用作磁强计，可精确到10 T。为了对这个量级 有所理解，可以列举一些例子。地磁场的磁感应强度 为103T；环境磁噪声的磁感应强度为 10-4～ 10-1T；人 们的肺、心、脑都有一定的生物磁感应强度，分别为 10 -1 T、10-2T 和 10 -5 T。由此可见，比脑磁场还弱 100 倍的磁场， SQUID 都能准确地测量出来。以心脏为例， 心磁图可以衡量直流电效应，而心电图对直流电效应 无法感知。并且，磁场测量几乎不受信号源和检测线 圈之间夹杂物的影响，所以可以检出局部的信号。
图5
脑磁场测定病灶
(2)用作磁场梯度计。测量微弱磁场时，必
须消除强磁场的干扰。为此，可设计一个形如 图6的线圈，其中A2和A3绕向相反。均匀的地磁 与噪声磁在A2、A3中产生的磁通会互相抵消，对 A1不产生影响。而非均匀的待测磁场在A2、A3中 不会抵消，因而对A1有影响。用SQUID测出的 A1的磁通便无地磁和噪声的干扰。
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。
A2
A1 A3
图 6 线圈
（3）用作低温温度计。它是利用核磁化率在
10-5K的低温时与温度成正比设计而成的。用 SQUID测出核磁化率α就可测定温度。
（4）用作检流计。将待测的电流引入超导线
圈，利用SQUID测出电流产生的磁通，从而确 定电流的大小，且能精确到10-9A。改装成电压 计精确可达10-16V。
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 。
结区 超导 绝缘 超导
S
x
S
hν
+
v=0
v=0 图4 结区的交变电流
为了表示这一交变电流在结区形成的波，可以将 电流I写成 2eV 2 i ic sin(2 t x 0 h 2eV p 或 i i sin(2 t x
称为德布罗意关系式， 是初位相。现在，给结区加一垂直于纸面向外 的磁场B，由于释放的光子或电磁波与磁场会 产生相互作用，因此根据电磁理论中的最小耦 合原理，应将动量p换成，其中A是磁场沿x方 向的矢势。于是
另一独特的干涉效应是利用并联的Josephon结 产生的，这样的一个并联装置叫超导量子干涉 仪(SQUID)。下面着重介绍一下超导量子干涉 仪的构造、原理和应用。 三、超导量子干涉仪的构造原理及其应用 1 SQUID的构造
图2是通常用的SQUID（superconducting quantum interference device ）的构造简图。 在圆柱形的石英管上，先蒸发出一层10mm宽的 Pb膜，再蒸发出一层Au膜在下方用作分流电阻； 然后溅射两条Nb膜，待其氧化后再蒸发出一层 T形Pb膜。这样在Pb膜和Nb膜的交叉处形成两 个Nb-NbOx-Pb结，即Josephon结。
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。
总之，超导量子干涉仪是利用超导量子干 涉元件(SQUID)结合了电子、机械、低温、真 空等技术來量測磁化率的精密仪器，SQUIDF 是目前所发现最灵敏的磁感应元件，故它最适 合微小磁化率的感測。 南开大学物理学2002级 汪为民 0210226 张宏涛 0210242 张培磊 0210244
h ph 2 ， 2
c
h
h
0
p 2e 2eV i ic sin t x Ax 0 h ch h
因此，B的大小或A的大小将影响电流i的相位，决定其x 轴向的分布，由于磁场在交变电流中起着位相作用， 2 eV 而波的频率 又相当大，故磁场的一个微小变化也 会导致一个显著的位相改变，使得电流也有一个相当 大的变化。如果使用两个结，利用两个电流的相干作 用，效果会更好，会使电流的值更大。这和光学中用 双缝加强光度比用单缝的效果要好一样。SQUID就是 根据这一原理设计而成的。
(5)军事方面的应用。在探测技术方面，超导量子干涉 仪器件具有极高的灵敏度，特别适合用于对微波弱磁 场反常现象和红外辐射的探测定位。采用超导量子干 涉仪的先进磁导探测系统，可探测到浅海中的潜艇。 超导量子干涉仪还可作为微波和红外探测器，灵敏度 可达10～15W/Hz。这种探测器可在空间根据卫星微弱 的红外辐射来确定其位置。雷达系统若采用高灵敏度 超导或纳米接收机，其作用距离可提高1～2个数量级。 SQUID 还可以用作超低频信号的接收器，进行水下、 地下的深处通讯联系。 利用 SQUID 可测量磁悬超导铌棒的微小振动。当铌棒 振幅为10-18cm时，其磁场波动能立即被SQUID测出。