SQUID(超导量子干涉仪)

SuperconductingQuantumInterferenceDevicesZ.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.London•1950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*,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122[2]ssmeAjeAne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IvarGiaeverandKarlMegerlePhy.Rev.Volume122(1101)1961N-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。IvarGiaeverandKarlMegerle–Phy.Rev.Volume122(1101)1961S-I-N结其中一种金属变为超导态，在T=0时，当0VE1/q时不能产生电流，只有当V＝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0VE1/q上也会存在一定的隧道电流IvarGiaeverandKarlMegerle–Phy.Rev.Volume122(1101)1961S-I-S结当两层金属都处于超导态时,在T=0时仅当V=（E1＋E2）/q时才有隧穿电流；在T0时，在V=（E1－E2）/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=（E1＋E2）/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Ψ1Ψ2Supercon.1Supercon.2Isolator1112iHkt2221iHkt12ikt21ikt将111isne222isne和代入，经处理得1122142sin()sinssscnqkjqnnjt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Ψ1Ψ2Supercon.1Supercon.2Isolator若在结的两侧加上电压，则方程变为112iqVkt221iqVkt用同样的方式可得212/qVtsin(2/)cjjqVt2/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)cjj212q(A.dl)2/qVt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Ψ1Ψ2Supercon.1Supercon.2Isolatorzxy0212sin()(2)cqBdjjydta00222121022sin2sin()sin()yxxyyLLLLccyqBdLqBdIdxdyjyIqBdL21sin()1I达到极值,令0JyBdL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.()()()()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.()()()()2bacbdcadCdln102.bbaaAdl202.ddccAdl02..cccbbbAdlJdl02..aaadddAdlJdl代入并整理后得'21022.CnJdlJ=021022n1002cos()sin()CiI无自感时1002cos()sin()extextCiI12122sin()cos()22ciImax02cos()extCiI一个磁通量子约152010Wb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StandardDCSQUIDsystemwithfluxmodulationandimpendancematchingcircuitDCSQUIDsystemsoverviewSupercond.Sci.Technol.4(1991)377-385DrungMagnetometerGradmeterVoltmeterSuperconductiongfluxtransformersModulationandfeedbackcircuitPrinciplesandapplicationsofSQUIDJ.ClarkeSSM（扫描超导量子干涉显微镜）MagneticMicroscopyofNanostructuresH.Hopster.springerMagneticMicroscopyofNanostructuresH.Hopster.springer小结•SQUID的发展背景•介绍了SQUID的基本原理•DCSQUID系统的介绍•简单介绍SSM谢谢！A－B效应ΦLC1C2ΦC1C2qq()A.dl-A.dlqq=A.dlB磁超导量子干涉仪的种类•DcSQUID•RfSQUID