超导量子干涉仪

超导量子干涉仪超导量子干涉仪—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)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.(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α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SQUID测出.总之,超导量子干涉仪是利用超导量子干涉元件(SQUID)结合了电子,机械,低温,真空等技术来量测磁化率的精密仪器,SQUIDF是目前所发现最灵敏的磁感应元件,故它最适合微小磁化率的感测.