超导量子干涉仪：探索异象的奥秘

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：超导量子干涉仪是一种极高灵敏度的磁量仪，可用以探测极小的磁场。超导量子干涉仪并不直接测量磁场，而是一种将磁通转化为电压的磁通传感器。另一种工作在射频，称为射频超导量子干涉仪，或rf SQUID，它的探头器件是含有一个约瑟夫森结的超导环和一个与之相耦合的射频谐振器。

超导量子干涉仪（superconducting quantum interference device，简称SQUID）是一种极高灵敏度的磁量仪，可用以探测极小的磁场。其工作原理是超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象，利用包含约瑟夫森结（Josephson junction）的超导线圈，在磁场下可用以探测磁通量量子（magnetic flux quantum）的性质而制成［4-6］。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Φ0=2.07×10-15 Wb，这样的环路就叫做超导量子干涉仪。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。

1.Josephson效应（双电子隧道效应）

两块超导体中间夹一薄的绝缘层就可形成一个Josephson结。根据经典理论，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”。超导体中电子的能量不足以使它越过这个势垒，所以宏观上不能有电流通过。但是，量子力学指出，即使对于相当高的势垒，能量较小的电子也能穿过，好像势垒下面有隧道似的。这种电子对通过超导的Josephson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Josephson效应。图8-8（a）为一个简单的Josephson结结构。电子对形成超导电流从一块超导体出发，通过隧道效应，穿过结区流向另一块超导体，若把ψ1和ψ1的表达式带入系统随时间变化的薛定谔方程可解得超导电流与两块超导体之间的宏观量子位相差有如下关系

式中，I为超导电流；Ic为临界超导电流；φ临φ1-φ2为两块超导体之间的宏观量子位相差。

若考虑Josephson结两端有一支流电压V，可以导出位相差与结两端电压V之间的关系为

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式中是两块超导体之间的宏观量子位相差φ随时间的变化率。

当V≠0时，则由式（8-21）积分得到位相差φ=φ0＋Vt是随时间变化的。式中φ0是初相差。从式（8-20）可得到此时有一交变电流通过势垒，即

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其交变电流角频率，其频率ν==V（Hz），这就是Josephson效应。由于磁场在交变电流中起着位相作用，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，会使电流的变化值更大。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（见图8-8（b），（c））。

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图8-8　Josephson和SQUID结构［6］

（a）Josephson结　（b）双节直流量子干涉器件　（c）射频量子干涉器件电路图

2.SQUID的构造和简单原理

超导量子干涉仪主要包括SQUID探测系统、软件操作系统、温控系统、磁场控制系统、样品操作系统和气体控制系统。其中SQUID探测系统是最重要的部分，包括超导探测线圈、SQUID和超导磁屏蔽。超导探测线圈与超导磁体同轴，在样品腔的外部，为二阶梯度计结构。该结构由三组串联线圈组成。顶部和底部为顺时针单匝线圈，中部为双匝逆时针线圈。该结构可减小磁场的波动和漂移对测量带来的影响。

超导量子干涉仪并不直接测量磁场，而是一种将磁通转化为电压的磁通传感器。它不仅可以用来测量磁通量的变化，还可以测量能转换为磁通的其他物理量，如电压、电流、电阻、电感、磁感应强度、磁场梯度、磁化率等。SQUID电子器件将该电流按严格的比例转换为电压信号。因此，在超导磁屏蔽的保护下，SQUID器件为该磁强计提供高灵敏的电流电压转换。在测量过程中，样品沿超导探测线圈轴线移动，从而在探测线圈中产生感生电流。因为探测线圈、连线和SQUID输入信号线组成一个超导闭环，探测线圈中任何的磁通变化都会引起闭环内电流的相应变化。这样，通过SQUID的转换，可以得到和样品磁矩严格对应的电压信号。因此，用标样校正过后，就可以通过该电压信号精确地得到样品的磁矩。SQUID具有可探测微小磁场，可在很宽的温度磁场范围内高精度测量材料的直流磁化强度和交流磁化强度等特点。

SQUID作为探测器，可以测量出10-11高斯的微弱磁场，仅相当于地磁场的一百亿分之一，比常规的磁强计灵敏度提高几个数量级，是进行超导、纳米、磁性和半导体等材料磁学性质研究的基本仪器设备，特别是对薄膜和纳米材料等微量样品是必需的。利用SQUID探测器侦测直流磁化率信号，灵敏度可达10-8 emu；温度变化范围1.9～400 K；磁场强度变化范围0～70 000高斯（7特斯拉）。可以测量样品在确定温度下的磁化曲线和磁滞回线，确定材料的居里温度；测量样品在很低频率的交流磁化率，进一步确定样品中磁有序行为，并判定样品磁有序的温度。

3.超导量子干涉仪的分类

根据制作SQUID所使用的超导材料的不同，可分为低温超导SQUID（LTc SQUID）和高温超导SQUID（HTc SQUID）。LTc SQUID必须工作于4.2 K（摄氏零下269度），因而必须要有技术复杂、价格昂贵的液态氦作冷源。而高温SQUID工作在液氮温区（77 K），价格上比液氦要便宜得多，实验费用相对较低。而且液氮热容大，低温设备简单，同样体积的液氮可以维持更长的工作时间。

SQUID按其工作方式不同可分为两种［如图8-8（b）和（c）所示］。一种是在直流偏置电流下工作，称为直流SQUID或dc SQUID，器件是含有两个约瑟夫森结的超导环。另一种工作在射频（几十兆赫兹到几百、上千兆赫兹），称为射频超导量子干涉仪，或rf SQUID，它的探头器件是含有一个约瑟夫森结的超导环和一个与之相耦合的射频谐振器。

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图8-9　Stern-Gerlach实验中的原子运动轨迹［7］

4.Stern-Gerlach实验

Stern-Gerlaeh实验是第一次通过简洁的宏观实验，直接证明了微观世界的原子在外场中角动量空间取向的量子化现象，同时也证明了原子磁矩大小的量子性，是近代最著名的物理实验之一。Stern-Gerlach实验提供了测量原子磁矩的一种方法，其原理是具有不同磁矩或者自旋取向的原子束在不均匀磁场中可被分成若干部分，这种现象也称为Stern-Gerlach效应。

如图8-9所示，质量为m、速度为v的原子进入线度为d的不均匀磁场，若只考虑z方向的梯度磁场使原子受力偏转，随后在长为l的区域自由直线飞行，最终落在屏幕P上的位置偏离水平方向

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