IEC 61788-22-22021 正常状态电阻和临界电流测量-高-emTemsubcsubJosephson结标准立项发展报告

正常状态电阻和临界电流测量高-<em>T</em>_cJosephson结标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:NormalStateResistanceandCriticalCurrentMeasurement–High-<em>T</em>_cJosephsonJunction摘要随着高温超导技术的快速发展，高温超导Josephson结在量子计算、精密测量、太赫兹探测及超导电子学等前沿领域的应用日益广泛，对其电学参数——尤其是正常状态电阻和临界电流——的精确测量提出了更高要求。然而，由于高温超导材料的各向异性、晶界弱连接特性以及测量条件差异，不同实验室之间测量结果的可比性和可重复性面临严峻挑战。为统一全球范围内的测量方法与评价准则，国际电工委员会（IEC）发布了IEC61788-22-2:2021标准，系统规定了高温超导Josephson结正常状态电阻和临界电流的测量方法、测试条件、样品制备及数据处理要求。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制历程、关键技术内容及其推广应用价值，重点剖析了标准的适用范围、测量原理、性能评价指标体系以及与现有超导测试标准体系的衔接关系。同时，本报告还回顾了主要起草单位在标准研制中的技术与组织贡献，展望了标准在推动高温超导电子器件产业化、国际化及前沿科学研究的深远影响。该标准的发布填补了国际高温超导Josephson结电学参数测试标准化的空白，对促进全球超导技术交流与产业协同发展具有重大意义。关键词：高温超导；Josephson结；正常状态电阻；临界电流；IEC标准；超导电子学；标准化测量Keywords:high-temperaturesuperconductor;Josephsonjunction;normalstateresistance;criticalcurrent;IECstandard;superconductingelectronics;standardizedmeasurement一、引言1.1立项背景自1986年高温超导材料被发现以来，高温超导Josephson结作为超导电子器件的核心单元，一直处于科学研究和产业应用的前沿。高温超导Josephson结不仅可用于制备超导量子干涉器（SQUID）、单磁通量子（SFQ）数字电路、太赫兹混频器和辐射源，还在量子信息处理领域展现出不可替代的潜力。正常状态电阻（*R_n*）和临界电流（*I_c*）是描述Josephson结电磁特性的两个基本参数，二者合成了表征结质量的特征电压*V_c*=*I_c*·*R_n*。精确测量这两个参数，不仅关系到器件设计的准确性和工艺过程的可控性，更直接影响超导电子系统的可靠性和一致性。然而，长期以来，各研究机构和生产厂商在测量*R_n*和*I_c*时采用的方法、环境和判据不尽相同，导致同一种结在不同实验室测得的参数存在较大偏差，数据之间缺乏可比性，严重制约了技术交流与产业协作。在此背景下，制定统一的国际测量标准成为高温超导领域亟需解决的问题。1.2标准编制过程IEC61788-22-2:2021由国际电工委员会超导技术委员会（IEC/TC90）归口管理。IEC/TC90成立于1989年，其工作范围涵盖超导材料和电子器件的术语、测量方法、特征评价及机械和电学性能测试等标准化工作。该标准历经多轮工作组讨论、国际间比对实验和草案审查环节，最终于2021年10月正式发布。标准研制过程中，来自中国、日本、韩国、德国、美国等国家的超导研究机构和企业深度参与，通过全球范围的循环比对实验验证了标准方法的可行性和重复性。二、标准主要内容2.1范围与适用对象IEC61788-22-2:2021规定了在液氮温度至临界温度范围内的不同温度条件下，高温超导Josephson结正常状态电阻和临界电流的测量方法。该标准所适用的Josephson结类型包括：双晶基片上的晶界结、台阶结、聚焦离子束（FIB）制备的纳米桥结、多层膜三明治结构结等各类高温超导Josephson结。标准明确指出适用于基于钇钡铜氧（YBCO）、铋锶钙铜氧（BSCCO）等主要高温超导薄膜体系的结器件。2.2测量原理与方法2.2.1电流-电压特性曲线测量标准的核心测量方法基于Josephson结的电流-电压（*I-V*）特性曲线测试。在精确控制的温度条件下，采用四端法测量消除引线和接触电阻的影响，获取完整的*I-V*特性曲线。标准详细规定了：-电流扫描模式：包括准静态连续扫描和步进式脉冲扫描两种模式，以降低自热效应的影响；-电压判据：明确以微分电阻达到正常状态电阻50%处的电流值作为临界电流定义标准，与超导临界电流测量国际惯例保持一致；-回滞处理：针对具有明显回滞特征的欠阻尼结，规定了正反向扫描的处理规则。2.2.2正常状态电阻的确定标准提供了两种确定*R_n*的方法：（1）线性区外推法，利用*I-V*曲线在高偏置电压段的线性趋势线性拟合，将拟合线外推至零电压处，由其斜率确定*R_n*；（2）固定偏置电压法，在显著高于超导能隙电压的特定偏置点直接读取微分电阻作为*R_n*。标准推荐使用第一种方法作为仲裁方法，以减少测量误差。2.2.3环境条件控制标准对测量环境提出了严格规定：温度控制精度需达到±0.1K以内，须对磁场环境进行屏蔽或补偿处理（背景磁场小于1μT），并充分考虑电磁干扰的抑制措施。此外，标准还推荐了样品托设计、热锚定方案和屏蔽壳结构，以确保测量的准确度和复现性。2.3样品制备与安装要求为保证测量结果的有效性和一致性，标准对样品制备提出了明确要求：包括基片材料选择、电极接触电阻验证（接触电阻应小于结电阻的1%）、引线键合方式、样品几何尺寸测量精度等，并对封装过程中的静电防护和热循环操作给出了规范性建议。2.4数据处理与不确定度评估标准引入了测量不确定度评定框架，参考《测量不确定度表示指南》（GUM），要求对测量结果进行系统性不确定度分析。不确定度来源主要包括：温度波动引入的不确定度、电流源校准不确定度、电压测量精度不确定度、临界电流判据引起的定义不确定度等。标准提供了典型的评定示例，便于用户参照执行。三、标准技术内容分析3.1关键技术特点IEC61788-22-2:2021在技术层面具备以下显著特点：-适用性广：覆盖多种类型的Josephson结，适应不同材料体系和工艺路线；-判据明确：给出了统一的临界电流判据和数据处理方法，有效消除了因定义不同导致的测量偏差；-精密测温：强化了温度测量与控制的精度要求，确保*I-V*特性数据的科学基础；-不确定度指引：引入完整的不确定度评估体系，使测量结果的置信水平可量化。3.2与相关标准的协同IEC61788系列标准是国际超导领域最完整的标准族，涵盖超导材料的临界温度、临界电流、交流损耗、直流磁化率等多项测量方法。本标准的发布，填补了该系列中关于Josephson结电学参数测量标准的空白，与IEC61788-1（临界温度测量）、IEC61788-2（直流临界电流测量）、IEC61788-3（临界电流残余电阻比测量）等标准形成了有机互补，共同构建了从材料到器件完整的超导测试标准体系。四、主要起草单位本标准的研制汇集了全球范围内在超导电子学领域具有深厚积累的研究机构和标准化组织的智慧。其中，日本国家计量院在标准的技术框架设计和比对实验组织方面发挥了主导作用。日本作为高温超导电子学研究最为活跃的国家之一，在基于高温超导Josephson结的SQUID和混频器应用方面处于世界领先水平。日本国家计量院依托其在超导电子计量领域的长期积累，牵头设计了循环比对实验方案，并在数据处理方法、不确定度评估模型等技术细节方面提供了大量基础数据，为标准的科学性奠定了坚实基础。中国在该标准的制定过程中亦发挥了重要的参与和贡献作用。中国的超导研究机构在高温超导薄膜制备、Josephson结工艺和超导量子干涉器件应用方面具备扎实的研究基础和丰富的工程经验。参与单位积极组织国内多轮比对测试，提交了翔实的实验数据和技术意见，在标准中关于不同结型适用范围的界定，以及对纳米桥结测量特殊性的处理方案等方面提出了行之有效的修订建议，并被标准技术工作组采纳。此外，韩国标准科学研究院在低温测量技术和温度计量溯源方面提供了有力支撑，德国联邦物理技术研究院在电磁测量精度控制方面做出贡献，美国国家标准与技术研究院则在量子计量与超导电子学理论方面提供了重要的参考意见。五、标准应用前景与发展趋势5.1促进产业协同发展随着高温超导电子器件从实验室研究走向产业化应用，统一测试标准将成为产业链上下游对接的基础工具。器件的设计、制造、封装、测试各环节将基于统一的参数定义和测量方法进行，可从根本上消除因测量基准不一致导致的器件性能争议，提升产品验收和交付的效率。在超导量子计算、高灵敏度传感器和太赫兹通信等新兴应用领域，标准规范的测量数据将为器件筛选和工艺优化提供可靠的量化依据。5.2推进国际互认IEC61788-22-2:2021的发布为全球范围内的高温超导Josephson结测试结果互认提供了制度性保障。通过遵循统一的标准方法，不同国家和地区的实验室在出具测量报告时将具有等效性和可比性。这有助于推动国际技术贸易、跨境产业合作以及多边科技合作项目中的数据共享与成果互认。5.3引导前沿研究在基础研究层面，该标准为高温超导Josephson结的物理机制研究提供了更严谨的量化工具。随着超导材料种类的拓展和结制备工艺的进步，可以预见未来标准还将不断修订完善，以覆盖更多新材料、新结构和新的测试需求，包括在更高频率下的微波响应测量、噪声特性表征，以及与低温低维材料相结合的新型超导器件的参数测试等方向。六、结论IEC61788-22-2:2021作为国际电工委员会正式发布的高温超导Josephson结电学参数测量标准，是国际超导标准化进程中一项重要的标志性成果。该标准系统解决了高温超导Josephson结正常状态电阻和临界电流测量中长期存在的定义不一致、方法差异大、结果可比性差等关键问题，为全球超导科研与产业界提供了统一的测量技术准则。标准凝聚了国际主要超导研究力量的集体智慧，在技术内容的全面性、测量判据的科学性以及操作方法的可行性等方面达到了高度成熟。可以预见，该标准将在推动高温超导电子器件产业化、支持量子信息等前沿科技攻关以及促进国际科技交流合作等方面发挥日益重要的作用。未来，随着高温超导技术的持续进步和应用的深入拓展，本标准也将不断迭代更新，持续服务全球超导科技的发展需求。参考文献[1]IEC61788-22-2:2021,Superconductivity—Part22-2:Normalstateresistanceandcriticalcurrentmeasurement—High-TcJosephsonjunction,InternationalElectrotechnicalCommission,2021.[2]IEC/TC90StrategicBusinessPlan,InternationalElectrotechnicalCommission,2020.[3]ISO/IECGuide98-3:2008,Uncertaintyofmeasurement—Part3:Guidetotheexpressionofuncertaintyinmeasurement(GUM:1995),2008.[4]王家素,王素玉.超导技术及其应用[M].北京:科学出版社,2018.