SQUID(超导量子干涉仪).ppt

SuperconductingQuantumInterferenceDevices,Z.J.Yang,内容,SQUID的发展背景相关基础知识和原理介绍超导简单介绍单电子隧道效应约瑟夫森效应DCSQUID原理DCSQUID系统的介绍SSM（ScanningSQUIDMicroscopy)简介,SQUID的发展,SQUID(SuperconductingQuantumnInterferenceDevice),是在约瑟夫森结上发展起来的基于量子干涉原理的仪器；主要有两类DCSQUID（直流）&RFSQUID（射频）1962年Josephson理论研究了两块超导体被一层薄绝缘层分开的S-I-S结，为SQUID的出现奠定了基础。PhysicsLetters,1962vol.1,Issue7,pp.251-253Josephson,B.D.1964年，R.C.Jaklevicetal.提出了双JosephsonJunction量子干涉模型。Phys.Rev.Lett.12,159-160(1964)R.C.Jaklevicetal.60年代下半叶，制造简陋的dcSQUID开始为低温物理学家用于测量。60年代末开始出现RFSQUID。相当长的时间内，dcSQUID被摒弃，直到1974年出现灵敏性高于RFSQUID的仪器。1987年Koch和Nakane首先制造出了高温dc-SQUID。Appl.Phys.Lett.51(3).20July1987R.H.Kochetal.,超导体的简单介绍,1911年Onnes首次在极低温下发现了Hg的超导电现象即在某个转变温度下电阻完全消失。零电阻效应1933年迈斯纳以实验揭示了超导体的另一特性抗磁性1935年F.London和H.London提出唯象理论，统一概括了零电阻和迈斯纳效应.SeriesA,MathematicalandPhysicalSciences,Vol.149,No.866.(Mar.1,1935),pp.71-88.F.London&H.London1950年Ginzburg和Laudau提出理论，其中ns是温度T、空间位置r和磁场B的函数，其方程和微观上的薛定谔方程一致，提出磁通量子化。Teor.Fiz.20,1064(1950)Ginzburg,Laudau1957年，由Bardeen、Cooper和Schriffer提出BCS理论，由此确立了超导典型的量子理论Phys.Rev.108,1175-1204(1957)J.Bardeen,L.N.Cooper*,andJ.R.Schrieffer,超导中的磁通量子化,黄昆固体物理学,超导体内js=0，Cooper对波函数相位满足,取一个回路，作环路积分,超导中没有磁场，这就是通过环孔的磁通量，左端为一周的相位增加，为使波函数回到同一点不会发生实质变化于是,单电子隧道效应,IvarGiaeverandKarlMegerlePhy.Rev.Volume122(1101)1961,N-I-N结在没有外加电压时，两边的金属费米能级相同，当有外加电压时，两层金属费米能级相差-qV隧穿的电子数目正比于所加电压，因而电压电流曲线如左图。,IvarGiaeverandKarlMegerlePhy.Rev.Volume122(1101)1961,S-I-N结其中一种金属变为超导态，在T=0时，当0E1/q才能产生电流，当V很大后就趋于N的情况了。T0时，由于超导态的能隙上也会有少量电子，所以在00时，在V=（E1E2）/q时，隧道电流极大，随着电压增大，会因为态密度减小的原因，电流下降，直到V=（E1E2）/q，电流大小又开始急剧增大（态密度较大的部分上升）,约瑟夫森效应（S-I-S）,直流约瑟夫森效应,将,代入，经处理得,在外加电压为零时，有一超导电流，其数值由位相差决定。,交流约瑟夫森效应,若在结的两侧加上电压，则方程变为,用同样的方式可得,若V！=0,电子对穿过势垒会发射或吸收能量为,的光子,有磁场存在时，根据规范不变性，达到多出的一项相位因子,磁场对隧道结的相位调制作用,若考虑结两边不加电压的情况，,若磁场沿x方向，大小为B0，则A(0,0,B0y)则有,I达到极值,令,上式让我们联想到光学中的夫琅禾费衍射图样，这就是超导量子衍射现象。,dcSQUID原理,前面我们提到磁通量子化，但在这里，隧道结是有临界电流的，其和环路的自感很小，对环内磁通没有什么影响，磁通完全由所加外场决定。不过，绕环路一周，波函数相位还是变化,R.C.Jaklevic,代入并整理后得,一个磁通量子约,因而对外加场的微小变化都很灵敏,PrinciplesandapplicationsofSQUIDJ.Clarke,实际使用时，检测临界电流是很困难的，我们可以加一个大于最大临界电流的偏置电流，根据V-I关系，我们可以得到电压磁通关曲线。其位相正好与电流相反。,SQUID各种系统,可以用于测量与磁通量相关的量磁场(Magnetometer)电压(Voltmeter)磁场梯度(Gradiometer)磁化率(Suceptometer),DcSQUID系统的介绍及应用,StandardDCSQUIDsystemwithfluxmodulationandimpendancematchingcircuit,DCSQUIDsystemsoverviewSupercond.Sci.Technol.4(1991)377-385Drung,Magnetometer,Gradmeter,Voltmeter,Superconductiongfluxtransformers,Modulationandfeedbackcircuit,PrinciplesandapplicationsofSQUIDJ.Clarke,SSM（扫描超导量子干涉显微镜）,MagneticMicroscopyofNanostructuresH.Hopster.springer,MagneticM