超导量子干涉仪.ppt

超导量子干涉仪 Josephson结的应用 荷兰Leiden大学学者KamerlinghOnnes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1Josephon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 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1SQUID的构造图2是通常用的SQUID superconductingquantuminterferencedevice 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 图2SQUID构造图3超导量子干涉仪示意图 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 x v 0v 0图4结区的交变电流 超导绝缘超导 为了表示这一交变电流在结区形成的波 可以将电流I写成或 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 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 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 3 SQUID的应用 1 SQUID用作磁强计 可精确到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 1T 10 2T和10 5T 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 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 A1A3图6线圈 A2 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 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 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SQUI