1、w超導量子干涉磁強計w汪青w 經典物理學認為，物體越過勢壘，有一閾值能量；粒子能量小于此能量則不能越過，大于此能量則可以越過。例如騎自行車過小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車也能靠慣性過去。如果坡很高，不蹬自行車，車到一半就停住，然后退回去。量子力學則認為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向勢壘，一部分粒子反彈，還會有一些粒子能過去，好像有一個隧道，故名隧道效應（quantum tunneling）。可見，宏觀上的確定性在微觀上往往就具有不確定性。雖然在通常的情況下，隧道效應并不影響經典的宏觀效應，因為隧穿幾率極小，但在某些特定的條件下宏觀的隧道效應也會出現。靈敏度極高靈敏度極高：可達

2、10-1410-15T，比靈敏度較高的光泵式磁敏傳感器要高出幾個數量級；是目前為止檢測靈敏度最高的磁敏傳感器。特點特點頻帶寬：頻帶寬：響應頻率可從零響應到幾kHz。測量范圍寬測量范圍寬：可從零場測量到幾kT；超導量子干涉（超導量子干涉（Super Conducting Quantum Interference Device）磁強計，是利用約瑟夫森）磁強計，是利用約瑟夫森（Josephson）效應設計的極敏感的磁傳感器）效應設計的極敏感的磁傳感器測量原理絕緣層在絕緣層在1nm1nm量級以保證量級以保證量子效應顯著量子效應顯著“弱弱”超導體超導體電子對通過超導的約瑟夫森結中勢壘隧道而形成超導電流電

3、子對通過超導的約瑟夫森結中勢壘隧道而形成超導電流的現象叫超導隧道效應，也叫約瑟夫森效應。的現象叫超導隧道效應，也叫約瑟夫森效應。 直流約瑟夫遜效應直流約瑟夫遜效應w約瑟夫遜結能夠通過很小超導電流的現象，稱為超超導隧道結的約瑟夫遜效應導隧道結的約瑟夫遜效應，也稱直流約瑟夫遜效應直流約瑟夫遜效應w此時約瑟夫森結與一塊超導體相似，結上不存在任此時約瑟夫森結與一塊超導體相似，結上不存在任何電壓，即流過結的是超導電流。但一旦超過臨界何電壓，即流過結的是超導電流。但一旦超過臨界電流值電流值Ic，結上即出現一個有限的電壓，結的性狀，結上即出現一個有限的電壓，結的性狀過渡到正常電子的隧道特性。過渡到正常電子的

4、隧道特性。 約瑟夫遜的直流效應受著磁場的影響。約瑟夫遜的直流效應受著磁場的影響。臨界電流臨界電流隨外磁場周期起伏變化。隨外磁場周期起伏變化。而臨界電流而臨界電流I IC C對磁場亦很敏對磁場亦很敏感，甚至地磁場可明顯地影響感，甚至地磁場可明顯地影響IcIc。即隨著磁場的加大。即隨著磁場的加大臨界電流臨界電流I IC C逐漸變小。逐漸變小。 超導結的Ic-H曲線01234562010H=0Ic ICH 特性交流約瑟夫遜效應交流約瑟夫遜效應w 實驗證明，當結區兩端加上直流電壓時，結區會出現高頻的正弦電流，其頻率正比于所加的直流電壓，即w f = KVw式中 K=2e/h=483.61012Hz/V

5、。w根據電動力學理論高頻電流會從結區向外輻射電磁波。可見超導隧道結在直流電壓作用下，產生交變可見超導隧道結在直流電壓作用下，產生交變電流，電流，輻射和吸收電磁波，這種特性即交流約瑟夫輻射和吸收電磁波，這種特性即交流約瑟夫遜效應。遜效應。 磁通量子化在小超導環中，電流能夠持續流動，但由周期性邊界條件的限制，只有某些分立的狀態能夠存在。電流的量子化使得磁通也必將是量子化的。=n00磁通量量子，超導結臨界電流隨外加磁場而周期起伏變化的原理,完全可用于測量磁場。例如,若在超導結的兩端接上電源,電壓表無顯示時,電流表所顯示的電流是為超導電流;電壓表開始有電壓顯示時,則電流表所顯示的電流為臨界電流IC,此

6、時,加入外磁場后,臨界電流將有周期性的起伏,且其極大值逐漸衰減,振蕩的次數n乘以磁通量子0,可得到透入超導結的磁通量=n0。而磁通量和磁場H成正比關系,如果能求出,磁場H即可求出。同理,若外磁場H有變化,則磁通量亦隨變化,在此變化過程中,臨界電流的振蕩次數n乘以0即得到磁通量的大小,亦反映了外磁場變化的大小。因而,可利用超導技術測定外磁場的大小及其變化。 測磁原理測磁原理構成類型構成類型 SQUID磁強計一般由磁強計一般由SQUID、壓差密度計和超、壓差密度計和超導磁場構成。導磁場構成。射頻超導量子干涉器（射頻超導量子干涉器（RF SQUID）直流超導量子干涉器（直流超導量子干涉器（DC SQ

7、UID） 超導量子干涉器件有兩種類型：CTRTRF振蕩器（一）（一）RF SQUID射頻射頻超導量子超導量子干干涉器涉器含含有一個超導隧道結的超有一個超導隧道結的超導環，在超導環中存在導環，在超導環中存在超導量子干涉效應。測超導量子干涉效應。測量時，采用射頻電流進量時，采用射頻電流進行偏置，其構成形式如行偏置，其構成形式如圖所示。圖所示。超導環超導環偏置的目的是使超導結周期地達到臨界狀態,使環外磁通以量子化的形式進入環內，從而在超導環內的超導電流產生周期變化，這樣在結上產生周期電動勢，實現磁測。采用交流偏置,將一射頻磁場耦合到超導環上，在外磁通作用下,測量超導結產生電動勢。IAIBC1C212

8、ABIDC SQUID構成示意圖 （二）（二）DC SQUID直流超導量子干涉器（直流超導量子干涉器（DC SQUID）是在一塊超）是在一塊超導體上由兩個超導隧道結而構成的超導環。超導導體上由兩個超導隧道結而構成的超導環。超導環中存在超導量子干涉效應，測量時用直流電流環中存在超導量子干涉效應，測量時用直流電流進行偏置，如圖所示。進行偏置，如圖所示。E若在與環面相垂若在與環面相垂直的方向施加一直的方向施加一外磁場，則流經外磁場，則流經雙結超導環的最雙結超導環的最大超導電流既是大超導電流既是每個超導結結區每個超導結結區所穿透的磁通量所穿透的磁通量的周期函數，也的周期函數，也是超導環所包圍是超導環所

9、包圍的磁通量的周期的磁通量的周期函數。兩者的周函數。兩者的周期都是一個磁通期都是一個磁通量子。通常稱之量子。通常稱之為雙結量子干涉為雙結量子干涉效應效應MPMS7型超導量子磁強計介紹M P M S 7最大磁場：7特斯拉SystemMeasurementMagneticPropertiesSQUID 1MPMS只是超導量子磁強計的一種 主要用途：主要用途： 1、通過變溫直流磁化曲線和、通過變溫直流磁化曲線和變場磁滯回線探測樣品的磁性，變場磁滯回線探測樣品的磁性，主要適用于較弱磁性的塊材樣主要適用于較弱磁性的塊材樣品、薄膜樣品、粉末樣品、納品、薄膜樣品、粉末樣品、納米材料、超導材料等。米材料、超導

10、材料等。 2、每個樣品磁化強度、每個樣品磁化強度 3、主要應用于物理、化學、主要應用于物理、化學、材料、地質、生物等領域。材料、地質、生物等領域。 v 內部示意圖磁體線圈及磁場變溫(抽氣)控制系統樣品提拉系統信號檢測系統預真空清洗系統氦液面(探測)傳感器MPMS-7型超導量子磁強計介紹SQUID 4 超導量子磁強計的運行（條件） 1、使用液氦、使用液氦 總容量：總容量：56 升；升； 初次冷卻：初次冷卻：100 升；升； 液氦的自然蒸發：液氦的自然蒸發：3 升升 5 升升/天（天（5 K時）時） 2、電力要求、電力要求 交流（交流（220 5 %）V 3、環境要求、環境要求 溫度（溫度（ 30

11、 C）、）、濕度（濕度（ 80 %）超導量子磁強計的操作運行 1超導量子磁強計的操作樣品安裝 2 磁性測量樣品的安放原則1、樣品尺寸盡量小2、樣品在磁場方向對稱3、樣品在徑向居中4、剛性固定9 mm6 mm 控制軟件的啟動和使用（方法）超導量子磁強計的操作操作系統：控制軟件的位置：控制軟件的名稱：控制軟件的啟動：鍵入MPMSR2，執行。數據文件的位置：測量程序的位置：軟件 1Register SampleSample NameSample Mass (mg)Sample Diameter (mm)Sample Length (mm)Sample ShapeComment:NoneSample

12、Centering Procedure功能鍵：F2MeasureImmediate EMU vs Field EMU vs 1/Field EMU vs Temperature EMU vs 1/Temperature HaltResumeAbort功能鍵：F3Register SampleMagnetic Field (G)Set Temperature (K)Sweep to Temperature (K)Number Data PointsScans to AverageScan Length (cm)Measurement AxisLongitudinal RangeTransvers

13、e RangeMagnet Charging ModeHigh Resolution ModeData File NameData Block Type功能鍵：F4GraphDisplay GraphModify GraphColleting DataClear Graph DataEnlarge GraphPage PrinterPrint GraphLock Graph Menu功能鍵：F5UtilitiesPage PrinterSoftware VersionUpdate Helium LevelEnter Standby ModeUpdate FieldReset magnetDeg

14、auss ShieldPrinter Commands Tune SQUID Install Oven Install Fluxgate Options 功能鍵：F6Diagnostic MenusSample Transport Controls Magnet Controls Gas Controls RG Bridge Sensor Controls RG Bridge Driver Controls SQUID/Voltmeter Controls Calibration Factors HPIB Commands 功能鍵：F7SequenceSequence Type: Progra

15、mmedSequence File Name HRTStart at Records #1Execute SequenceHaltResumeAbort功能鍵：F8Editor/File ControlEditor File/Control Work DirectoryD:DATA個人目錄Sequence DirectoryD:SEQ個人目錄Data DirectoryD:DATA個人目錄功能鍵：F9控制軟件界面軟件 2 測量開始前的準備超導量子磁強計的操作將樣品放入樣品室：預真空室抽氣調節樣品至探測線圈的中心位置：F2將溫度與磁場調節到設定值：F4輸入樣品參數：F2輸入數據文件名稱（F4）、

16、測量程序名稱（F8）如實填寫實驗記錄本中的各項測量 1 SQUID由于其廣泛的用途一直是超導應用研究最活躍的領域之一.低溫SQUID由于其成熟的技術,在目前應用中仍然處于主導地位,而且還有很大的市場(每年幾千萬美元).另一方面,高溫SQUID由于其費用低廉,一直是研究的熱點,其中用于無損檢測的最多,還有用于人體心磁測量方面.對于高溫SQUID而言,沒有成熟的約瑟夫森結工藝,也缺乏有柔韌性的高溫超導線材,如果能在材料和制作工藝上有所突破,高溫SQUID必將成為超導在電子學技術方面的主角. 關于磁屏蔽問題和冷卻問題一直是SQUID應用的障礙.在大地測量和無損檢測中一般無法使用磁屏蔽室,而且磁屏蔽室

17、費用過高,能有效防止噪聲干擾的SQUID梯度計研究和各種消除噪聲的算法有很重要的實際意義.比如M.BICK等人提出的頻率自適應決定電子梯度計系數的方法獲得了比較好的效果.使用制冷機后,便于SQUID探頭三維方向的移動,傾斜,也利于室外使用,這是杜瓦所無法比擬的.但必須解決制冷機本身帶來的噪聲和由于冷卻階段溫度起伏帶來的噪聲問題. 就我國的實際情況而言,我國在低溫SQUID方面已經有相當基礎和一定應用經驗,但是由于液氦價格昂貴,技術復雜,實際應用并不廣泛,所以仍然應該將高溫SQUID作為研究重點,這樣符合我國國情,也能較快獲得實際效應.SQUID涉及到多門學科和技術,必須集合電子,機械,低溫,真

18、空,計算機等廠家和研究單位的優勢,同步開展各個方向的研究.此外應利用國外的設備,關注國外的動態發展,加強國際交流,以減少重復研究,并爭取國際合作 超導量子磁強計作為探測微弱磁場的精密儀器已被超導量子磁強計作為探測微弱磁場的精密儀器已被廣泛應用于科學技術和生產實踐等各個領域。廣泛應用于科學技術和生產實踐等各個領域。 （1 1）地震預報）地震預報 根據超導體的完全抗磁性，超導球在超導載流線根據超導體的完全抗磁性，超導球在超導載流線圈上懸浮著（如圖圈上懸浮著（如圖10-610-6），球表面感應產生屏蔽電流，使球內磁場為零，），球表面感應產生屏蔽電流，使球內磁場為零，此屏蔽電流與載流線圈的磁場相互作用，球受到向上的浮力，這浮力與此屏蔽電流與載流線圈的磁場相互作用，球受到向上的浮力，這浮力與球的重力平衡，球便懸浮起來。當重力加速度發生變化時，球就要偏離球的重力平衡，球便懸浮起來。當重力加速度發生變化時，球就要偏離原來的平衡位置，以致使磁場發生畸變，微小的磁場變化可用超導磁場原來的平衡位置，以致使磁場發生畸變，微小的磁場變化可用超導磁場強計測出來，根據這原理制成的儀器稱為超導重力儀。超導重力儀可以強計測出