SQUID(超导量子干涉仪)

1、Superconducting Quantum Interference Devices 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 DC SQUID原理 DC SQUID系统的介绍 SSM（Scanning SQUID Microscopy) 简介SQUID的发展SQUID(Superconducting Quantumn Interference Device), 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DC SQUID（直流）&RF SQUID（射频）1962年Josephson 理论研究

2、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。Physics Letters, 1962 vol. 1, Issue 7, pp.251-253 Josephson, B. D. 1964年，R. C. Jaklevic et al. 提出了双Josephson Junction 量子干涉模型。 Phys. Rev. Lett. 12, 159 - 160 (1964) R. C. Jaklevic et al. 60年代下半叶，制造简陋的dc SQUID开始为低温物理学家用于测量。60年代末开始出现RF SQUID。相当长的时间内，dc SQUID被摒弃，直到1

3、974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). 20 July 1987 R. H. Koch et al. 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. Series A, Mathematical and Physical Sciences, Vol. 149, No

4、. 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 , Laudau 1957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 *, and J. R. S

5、chrieffer 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1 222ssmeAjeAn e 取一个回路，作环路积分22.BeedlAdl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22Bne 单电子隧道效应Ivar Giaever and Karl Megerle Phy. Rev.Volume122(1101) 1961N-I-N 结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。Ivar Giaeve

6、r and Karl Megerle Phy.Rev.Volume122(1101) 1961S-I-N结结其中一种金属变为超导态，在T=0时，当0V E1/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0V=（E1E2）/q时才有隧穿电流；在T0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12Supercon.1Supercon.2Isolator1112iHkt2221iHkt12i

7、kt21ikt将111isn e222isn e和代入，经处理得1122142sin()sinssscnqkjqn njt在外加电压为零时，有一超导电流，其数值由位相差决定。VIba交流约瑟夫森效应12Supercon.1Supercon.2Isolator若在结的两侧加上电压，则方程变为112iqVkt221iqVkt 用同样的方式可得212/qVtsin(2/ )cjjqVt2/qV若V！=0, 电子对穿过势垒会发射或吸收能量为的光子2qV 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212qsin(A.dl)cjj212q(A.dl)2/qVt若考虑结两

8、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12Supercon.1Supercon.2Isolatorzxy0212sin()(2 )cqB djjy dta 00222121022sin2sin()sin()yxxyyLLLLccyqB dLqB dIdxdyjyIqB dL21sin()1 I达到极值, 令0JyB dL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。dc SQUID原理.()()()()2bacbdcadCdln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

9、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.()()()()2bacbdcadCdln102.bbaaAdl 202.ddccAdl02.cccbbbAdlJ dl 02.aaadddAdlJ dl代入并整理后得21022.CnJ dl J=021022n1002cos()sin()CiI无自感时1002cos()sin()extextCiI12122sin()cos()22ciImax02cos()extCiI一个磁通量子约1520 10Wb因而对外加场的微小变化都很灵敏Principles and applications of SQUID J.Cl

10、arke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) Dc SQUID 系统的介绍及应用Standard DC SQUID system with flux modulation and impendance matching circuitDC SQUID systems overview Supercond. Sci. Technol. 4(1991) 377-385 DrungMagnetometerGradmeterVoltmeterSuperconductiong flux transformersModulation and feedback circuitPrinciples and applications of SQUID J.ClarkeSSM（扫描超导量子干涉显微镜）Magnetic Microscopy of Nanostructures H.Hopster. springerMagnet