超导量子干涉仪

超导仪原理
超导技术是一种在极低温条件下电阻为零的现象，利用这一特性制造的超导仪器被广泛应用于科学研究和工程领域。

超导仪器的原理是基于超导材料在低温下的超导性能，通过外加磁场或电流来实现各种功能。

本文将介绍超导仪器的原理及其应用。

首先，超导仪器的基本原理是超导材料在低温下的零电阻和完全抗磁性。

超导材料在临界温度以下会表现出这些特性，因此需要在极低温条件下才能实现超导状态。

超导仪器通常使用液氦或液氮来实现低温条件，使超导材料处于超导状态。

其次，超导仪器的应用包括超导磁体、超导电子学器件和超导量子干涉仪等。

其中，超导磁体是最常见的应用之一，它利用超导线圈产生强磁场，用于核磁共振成像、粒子加速器和磁 levitation 等领域。

超导电子学器件利用超导材料的量子效应，制造超导量子比特用于量子计算和量子通信。

超导量子干涉仪则利用超导材料的量子干涉效应，用于精密测量和传感器等领域。

此外，超导仪器的工作原理是基于超导材料的量子效应和电磁性质。

超导材料的零电阻和完全抗磁性是由于超导电子对的配对和库珀对的凝聚，使得电子在超导态下能够以凝聚态的形式运动，形成超流。

超导材料在外加磁场下会产生迈斯纳效应，使得磁场被完全排斥，这一特性被应用于超导磁体和磁 levitation 等领域。

综上所述，超导仪器的原理是基于超导材料在低温下的超导性能，利用超导材料的量子效应和电磁性质来实现各种功能。

超导仪器在科学研究和工程领域有着广泛的应用前景，将在未来发挥重要作用。

物理实验技术中的精确时间测量技巧在物理学研究中，时间是一个非常重要的要素。

准确地测量时间对于实验数据的可靠性和准确性至关重要。

在物理实验技术中，有许多精确时间测量技巧被广泛应用。

本文将探讨几种常见的物理实验技术中的精确时间测量技巧，并深入讨论它们的原理和应用。

一、原子钟原子钟是目前最精确的时间测量设备之一。

其基本原理是利用原子内部的电磁跃迁来测量时间。

在原子钟中，原子通过精确的电磁场控制，使其内部能级发生跃迁，产生一个非常稳定的频率。

通过对这个频率进行计数，就可以计算出时间的流逝。

原子钟的准确性高达每秒钟误差不到一毫纳秒，被广泛应用于卫星导航系统、天文观测和科学实验等领域。

二、光频梳光频梳是一种基于光学的精确时间测量技术。

它利用超短光脉冲的频率谱特性，将光信号的频率与参考频率进行比较，从而实现对时间的准确测量。

光频梳的优势在于它可以将非常高的频率精度转化为时间精度。

目前，光频梳在时间和频率测量中的应用非常广泛，包括精确测量分子振动、光谱学研究和量子计量学等领域。

三、时钟同步技术在多台设备同时进行物理实验时，准确的时间同步至关重要。

时钟同步技术是一种常用的精确时间测量技巧。

它通过建立时间测量基准，使得多台设备在时间上保持一致。

其中，常用的时钟同步技术包括网络时间协议（NTP）、高精度时间协议（PTP）和全球卫星导航系统（GNSS）等。

这些技术可以实现微秒甚至纳秒级别的时间同步，确保实验数据的准确性和可靠性。

四、超导量子干涉仪超导量子干涉仪是一种利用超导材料和量子力学原理进行时间测量的仪器。

它通过利用超导态材料中电子对的特殊相互作用，实现对时间的高精度测量。

超导量子干涉仪凭借其高度的准确性和灵敏性，可以应用于物理实验中的时间测量、量子计量学和量子信息处理等领域。

总结：物理实验技术中的精确时间测量技巧对于实验研究的精确性和可靠性至关重要。

通过使用原子钟、光频梳、时钟同步技术和超导量子干涉仪等高精度的时间测量设备，可以实现微观世界的精确探测和测量，为物理学的发展做出重要贡献。

超导技术在磁共振成像中的应用指南引言磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种非侵入性的医学成像技术，其在临床诊断和科学研究中发挥着重要作用。

超导技术作为MRI的关键组成部分，为其提供了强大的磁场和高灵敏度的探测器，从而提高了成像质量和分辨率。

本文将探讨超导技术在磁共振成像中的应用指南，旨在帮助读者更好地理解和应用这一先进技术。

第一部分：超导磁体超导磁体是MRI系统的核心组件，它产生均匀且稳定的强磁场，为成像提供必要的条件。

超导磁体的选择应根据应用需求和预算来进行。

常见的超导磁体包括永久磁体、闭式超导磁体和开式超导磁体。

永久磁体成本低廉，但磁场强度较低，适用于一些简单的成像任务。

闭式超导磁体磁场强度较高，但体积庞大，适用于大型医院和研究机构。

开式超导磁体适用于病人体积较大或有特殊需求的情况。

第二部分：超导RF线圈超导RF线圈是MRI系统中负责发射和接收无线电频率信号的关键部件。

它能够提供高信噪比和较好的成像分辨率。

超导RF线圈的选择应根据成像区域和应用需求来确定。

常见的超导RF线圈包括表面线圈、体积线圈和并行线圈。

表面线圈适用于局部成像，体积线圈适用于全身成像，而并行线圈则可提高成像速度和分辨率。

第三部分：超导量子干涉仪超导量子干涉仪是一种基于超导技术的高灵敏度探测器，可用于检测和测量微弱的磁共振信号。

它的灵敏度远高于传统的电阻式探测器，可以提高成像的信噪比和对比度。

超导量子干涉仪的选择应考虑其灵敏度、稳定性和成本等因素。

目前，SQUID（Superconducting Quantum Interference Device）是最常用的超导量子干涉仪。

第四部分：超导技术在磁共振成像中的应用案例超导技术在磁共振成像中有着广泛的应用。

例如，在神经科学中，超导技术可用于研究大脑的结构和功能连接；在心脏病学中，超导技术可用于评估心脏功能和诊断心脏病变；在肿瘤学中，超导技术可用于检测和定位肿瘤病变。

纳米材料的磁性测试方法纳米材料在目前的科学研究和工业应用中扮演着重要的角色。

由于其尺寸比传统材料小得多，纳米材料展现出了许多独特的物理和化学特性。

磁性是纳米材料的一个重要性质，对于许多应用领域具有关键影响。

因此，如何准确快速地测试纳米材料的磁性成为研究者和工程师们关注的焦点。

目前，有多种方法可以用来测试纳米材料的磁性。

下面将介绍一些常用的测试方法，包括霍尔效应测量、超导量子干涉仪（SQUID）以及振动样品磁弹力显微镜（Magnetic Force Microscopy, MFM）。

首先，霍尔效应可以用来测量材料的电阻和磁场的关系。

对于磁性纳米材料，通过测量其在外加磁场下的霍尔电压，可以获得材料的磁性信息。

霍尔效应测试方法的主要优点是可以非常精确地测量材料的磁性，同时还可以获取材料的电性信息。

然而，霍尔效应测试对于纳米尺度的样品来说可能存在一些技术上的挑战，需要更加精密的实验设备和样品制备技术。

其次，超导量子干涉仪（SQUID）是一种非常敏感的测量方法，适用于测量纳米尺度材料的磁性特性。

SQUID是一种能够测量磁场变化的设备，它利用超导电子器件的量子效应进行磁场检测。

通过将纳米材料放置在SQUID测量装置中，可以精确地测量材料的磁滞回线、磁导率（susceptibility）以及磁介质常数等磁学特性。

SQUID测量方法具有高灵敏度和高分辨率的优势，能够对纳米尺度的材料进行准确的磁性测试。

但是，SQUID测量方法的设备成本较高，需要专业的实验条件和技术支持。

最后，振动样品磁弹力显微镜（MFM）是一种基于扫描探针显微技术的磁性测试方法。

MFM通过将磁感应线圈和微悬臂探针（cantilever probe）结合在一起，可以在纳米尺度下测量材料的磁场分布。

其中，磁感应线圈用来检测样品上的磁场信号，而微悬臂探针则可以通过测量样品表面的力和位移来获得样品的磁性信息。

由于MFM可以在纳米尺度下进行磁场的显微观测，因此它在纳米材料的磁性测量中得到了广泛应用。

超导量子干涉仪的工作原理与使用技巧引言：随着量子科学的迅速发展，超导量子干涉仪作为一种重要的实验工具，被广泛应用于量子信息处理、量子计算以及量子通信等领域。

本文将介绍超导量子干涉仪的工作原理以及使用技巧，帮助读者更好地理解和应用这一重要的实验设备。

一、超导量子干涉仪的基本原理超导量子干涉仪是一种基于超导材料的量子干涉仪，其基本原理是利用超导电子对量子态的特殊性质进行干涉实验。

超导电子对的特殊性质主要包括零电阻和量子纠缠。

1. 零电阻超导材料在低温下可以表现出零电阻的性质，即电流可以在材料中自由流动而不会损耗能量。

这一特性使得超导量子干涉仪能够在实验中实现高精度的电流控制和测量。

2. 量子纠缠超导材料中的电子对可以通过库伦相互作用形成量子纠缠态。

量子纠缠是一种特殊的量子态，其特点是两个或多个粒子之间的状态是紧密关联的，无论它们之间的距离有多远。

这种量子纠缠态的形成使得超导量子干涉仪可以实现高精度的量子测量和操控。

二、超导量子干涉仪的工作原理超导量子干涉仪的工作原理主要包括电流注入、量子态制备、干涉测量和结果读取等步骤。

1. 电流注入超导量子干涉仪中的超导材料通常需要通过外部电流注入来维持超导态。

通过控制注入电流的大小和方向，可以实现对超导材料中电子对的操控。

2. 量子态制备在超导量子干涉仪中，需要将电子对制备成特定的量子态，以进行后续的干涉实验。

这一步骤通常通过控制注入电流的波形和幅度来实现。

不同的量子态制备方式可以实现不同的量子操作，如量子叠加态、量子纠缠态等。

3. 干涉测量在超导量子干涉仪中，通过将两个或多个量子态进行干涉测量，可以获得关于量子态的信息。

干涉测量通常通过调节注入电流的相位差来实现，不同的相位差对应着不同的干涉结果。

4. 结果读取干涉测量完成后，需要对测量结果进行读取和分析。

读取结果通常通过测量电流的大小和方向来实现。

根据不同的测量结果，可以得到关于量子态的具体信息，如相位、纠缠度等。

超导技术在化学合成反应中的应用案例引言超导技术是一种在低温下电阻消失的现象，被广泛应用于物理学和工程学领域。

然而，近年来，超导技术也开始在化学合成反应中发挥重要作用。

本文将介绍一些超导技术在化学合成反应中的应用案例，展示其在实验室和工业中的潜力。

一、超导磁体在有机合成中的应用超导磁体是超导技术的重要组成部分，其产生的高磁场能够对有机合成反应产生显著影响。

例如，有机合成中的烯烃加成反应通常需要高温和高压条件下进行，而超导磁体可以提供强大的磁场来促进反应的进行。

研究表明，在超导磁体的作用下，烯烃加成反应的反应速率和选择性都得到了显著提高。

此外，超导磁体还可以用于有机合成中的催化反应。

传统的催化反应通常需要使用贵金属催化剂，而超导磁体可以通过调控磁场来改变反应物的电子结构，从而实现催化反应的控制。

这为研究人员提供了一种新的方法来设计和优化催化剂，从而提高反应的效率和选择性。

二、超导电缆在化学合成中的应用超导电缆是超导技术的另一个重要应用领域，它可以在低温下传输大电流。

在化学合成中，电流密度是一个重要的参数，它可以影响反应速率和产物的选择性。

传统的电缆通常存在能量损耗和电阻等问题，而超导电缆可以提供低能耗和高效率的电流传输。

超导电缆在化学合成中的应用案例有很多。

例如，有机合成中的电化学反应通常需要高电流密度来实现高效的电转化率。

传统的电化学反应通常受到电阻和能量损耗的限制，而超导电缆可以提供高电流密度和低能耗的条件，从而实现高效的电化学反应。

三、超导量子干涉仪在化学合成中的应用超导量子干涉仪是超导技术的前沿研究领域，它可以用于测量微小的物理量和控制量子态。

在化学合成中，超导量子干涉仪可以用于测量反应的速率和选择性。

通过测量干涉仪的输出信号，研究人员可以了解反应的动力学和热力学过程，从而优化反应条件。

此外，超导量子干涉仪还可以用于控制反应的量子态。

量子态是化学反应中的重要参数，它可以影响反应的速率和产物的选择性。

超导技术在心血管医学诊断中的应用前景展望随着科技的不断进步和医学领域的发展，超导技术在心血管医学诊断中的应用前景也变得越来越广阔。

超导技术以其高灵敏度、高分辨率和无辐射的特点，为心血管疾病的早期诊断和治疗提供了更为精准和安全的手段。

本文将从超导磁共振成像（MRI）、超导磁敏感传感器和超导量子干涉仪三个方面，探讨超导技术在心血管医学诊断中的应用前景。

一、超导磁共振成像（MRI）超导磁共振成像（MRI）作为一种无创、无辐射的成像技术，已经广泛应用于心血管疾病的诊断中。

MRI利用强磁场和无线电波对人体进行成像，可以清晰地显示心脏、血管和周围组织的结构和功能。

与传统的X线和CT等成像技术相比，MRI不仅可以提供更为详细的解剖信息，还可以通过功能性MRI（fMRI）观察心脏的血流动力学、心肌代谢和心脏功能等方面的信息。

在心血管医学中，MRI可以用于检测冠状动脉狭窄、心肌缺血、心肌梗死等疾病的早期诊断。

通过MRI的高分辨率图像，医生可以准确地评估心脏的形态、大小和功能，为临床决策提供重要依据。

此外，MRI还可以用于评估心脏瓣膜病变、心肌炎症和心脏肿瘤等疾病，为治疗方案的选择和手术的规划提供帮助。

然而，目前MRI在心血管医学中的应用还面临一些挑战。

首先，MRI设备的成本较高，限制了其在医疗机构的普及和应用。

其次，MRI扫描时间较长，可能对患者的耐受性造成一定的影响。

未来，随着超导技术的进一步发展和成本的降低，MRI有望成为心血管医学诊断的主流技术。

二、超导磁敏感传感器超导磁敏感传感器是一种利用超导材料的磁敏感性能进行信号检测的传感器。

由于超导材料具有极高的磁敏感性和零电阻特性，可以实现对微弱磁场的高灵敏度检测。

在心血管医学中，超导磁敏感传感器可以用于检测心电信号、心血管生物磁场和脑磁场等生物信号，为心血管疾病的早期诊断提供新的手段。

传统的心电图（ECG）是通过皮肤表面电极对心脏电活动进行监测和记录。

然而，由于皮肤的阻抗和噪声的干扰，ECG的信号质量较差，往往不能提供准确的诊断信息。

超导量子干涉仪的原理超导量子干涉仪是一种利用超导材料和量子效应原理构建的干涉仪器。

它的原理主要基于超导材料的特殊性质以及量子力学的干涉现象。

我们来了解一下超导材料。

超导材料是指在低温下具有零电阻和完全排斥磁场的材料。

这是由于超导材料中的电子通过配对形成了所谓的库伯对，使得电流可以在材料中无阻碍地流动。

超导材料的这种特性使得它在量子技术中具有重要的应用。

量子干涉是一种基于量子力学原理的现象，体现了波粒二象性的特性。

在干涉实验中，光或粒子通过两个或多个路径后，会出现干涉现象，即波峰和波谷的叠加。

这种干涉现象可以用于测量、传感和计算等领域。

超导量子干涉仪将超导材料和量子干涉原理相结合，利用超导材料的零电阻特性和量子干涉的波粒二象性，实现了高精度的量子测量和信息处理。

超导量子干涉仪的基本构造包括超导环和量子比特。

超导环是由超导材料制成的环状结构，其内部电流可以在超导态下无阻碍地流动。

量子比特是一种能够以量子态存储和操控信息的基本单元。

在超导量子干涉仪中，量子比特通过超导环与外界相互作用，实现了量子干涉。

当量子比特经过超导环时，它的量子态会与超导环内的电流相互作用，导致量子干涉现象的发生。

通过测量超导环中电流的变化，我们可以获取量子比特的信息。

超导量子干涉仪的工作原理可以通过以下步骤来解释：1. 初始化：将量子比特的初始状态设置为所需的量子态。

这可以通过给量子比特施加特定的脉冲来实现。

2. 干涉：将量子比特通过超导环，使其与超导环内的电流相互作用。

这个过程中，量子比特的量子态会发生干涉，导致超导环内的电流发生变化。

3. 读出：测量超导环中的电流变化，以获取量子比特的信息。

这可以通过超导材料的零电阻特性来实现高灵敏度的测量。

通过以上步骤，超导量子干涉仪可以实现对量子比特的高精度测量和信息处理。

由于超导材料的特殊性质和量子干涉的特性，超导量子干涉仪在量子计算、量子通信和量子传感等领域具有广泛的应用前景。

超导量子干涉仪是一种利用超导材料和量子干涉原理构建的干涉仪器。

二阶梯度交叉耦合超导量子干涉仪电流传感器研制*徐达1) 钟青1)† 曹文会1) 王雪深1) 王仕建1)李劲劲1)‡ 刘建设2) 陈炜2)1) (中国计量科学研究院, 前沿计量科学中心, 北京　102200)2) (清华大学, 微电子学研究所, 北京　100084)(2020 年10 月31日收到; 2021 年2 月5日收到修改稿)√Hz √Hz超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device, SQUID)具有极低的噪声水平, 极高的磁场灵敏度和电流灵敏度, 可探测低噪声传感器的微弱电流信号. SQUID电流传感器已成为超导转变边缘探测器(transition-edge sensor, TES)等低噪声探测信号读出的唯一选择. 本文研制了一种针对TES信号读出应用的二阶梯度交叉耦合SQUID电流传感器. 根据TES的信号读出需求, 设计了SQUID电流传感器的结构和各项参数. 其中, SQUID环路、输入线圈和反馈线圈均采用二阶梯度结构. SQUID环路与输入线圈、反馈线圈均采用不同平面交叉耦合方式, 可有效地减弱寄生电容. 通过优化工艺, 成功地研制出基于Nb/Al-AlO x/Nb 约瑟夫森结的二阶梯度交叉耦合SQUID电流传感器. 液氦温区测试结果显示, 输入线圈电流灵敏度为17 µA/F0,磁通白噪声为2 µF0/, 电流白噪声为34 pA/. 在无磁屏蔽条件下的噪声测试结果显示, 二阶梯度交叉耦合SQUID电流传感器具有良好的抵抗环境电磁干扰能力.关键词：超导量子干涉仪, 超导转变边缘探测器, 磁通噪声, 电流噪声, 电流灵敏度PACS：85.25.Dq　DOI: 10.7498/aps.70.202018161 引　言超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device, SQUID)具有极高的探测灵敏度, 其等效能量分辨率接近量子极限, 是目前最灵敏的磁场传感器和电流传感器[1,2]. 因此, SQUID 的应用非常广泛, 不仅作为磁场传感器, 用于地磁、心磁和脑磁等微弱磁场信号的探测, 还作为电流传感器, 用于超导转变边缘探测器(transition-edge sensor, TES)、磁性金属微量能器等低噪声探测器的微弱电流信号读出[3,4]. 目前, SQUID电流传感器已发展成为TES的微弱信号读出的唯一选择, 与TES一起成为天文探测、粒子物理以及辐射计量等大型科学装置的关键核心器件[5−7]. 由于TES的噪声和阻抗很小, 与常用场效应晶体管放大器不匹配, 因此, 最初TES很少有实际应用. 在2000年前后, 美国国家标准技术研究院(NIST)研究人员使用SQUID电流传感器解决了这个问题[1],这是由于SQUID器件噪声很小, 而且阻抗与TES 匹配. 随后, NIST研究人员开始发展用于TES阵列读出的SQUID多种复用读出技术[8]. 在2010年* 国家重点研发计划(批准号: 2017YFF0206105)、国家自然科学基金(批准号: 61701470, 20161361354)和中国计量科学研究院(批准号: AKY1946, AKYZD2012)资助的课题.† 通信作者. E-mail: zhongq@‡ 通信作者. E-mail: jinjinli@© 2021 中国物理学会 Chinese Physical Society 之后, SQUID 的时分复用、码分复用和频分复用读出TES 阵列技术逐渐成熟[3], 同时, NIST 和海德堡大学又开始发展了微波复用SQUID 读出技术[9,10], 用于读出具有更多像素的TES 阵列.对于单个TES 信号读出, 一般采用两级SQUID 读出方案[11], 其中, 第一级采用低噪声水平的单个SQUID, 读取TES 的微弱电流信号变化; 第二级采用SQUID 阵列, 放大第一级SQUID 的输出信号. 第一级SQUID 通常与TES 一起工作, 极易受到外界磁场的干扰, 因此, 需将第一级SQUID 电流传感器设计成为梯度结构, 以减弱外界磁场的影响[12]. 目前, SQUID 电流传感器的梯度结构主要有一阶梯度结构和二阶梯度结构[8,11−16]. 其中, 一阶梯度SQUID, 结构简单、设计灵活, 多用于SQUID 阵列和高灵敏度的磁强计[17]; 而用于TES 信号读出的第一级SQUID 多采用二阶梯度结构, 相比于一阶梯度SQUID 结构, 可有效地提高抵抗电磁干扰的能力[11,12]. 在SQUID 器件中, SQUID 环路与输入线圈、反馈线圈的耦合方式主要有重叠耦合和交叉耦合两种方式. 这两种结构各有优缺点:重叠耦合SQUID 结构互感系数大, 但是存在较大寄生电容; 而交叉耦合SQUID 结构寄生电容相对较小, 但是互感系数较小. 为了满足不同信号大小的TES 读出需求, SQUID 器件的性能参数各不相同.√Hz √Hz 德国联邦物理研究院(PTB)发展了超高灵敏度的SQUID 器件[11,13,14,16,18,19], 研制的两级SQUID 放大器中第一级SQUID 为二阶梯度并联结构, 采用重叠耦合方式, 磁通噪声为1.2 µF 0/ . 美国Star Cryoelectronics 公司可提供不同输入电感的SQUID 产品[20,21], SQUID 环路采用一阶梯度结构和重叠耦合方式, 磁通噪声为2.4—4 µF 0/ .德国海德堡大学与德国PTB 合作发展了二阶梯度SQUID 电流传感器, SQUID 环路与输入线圈的互感为162 pH, 其电流灵敏度为13 µA/F 0[9,22,23].然而, 他们的器件中SQUID 环路和输入线圈、反馈线圈采用重叠耦合方式, 这种耦合方式与交叉耦合方式相比会产生更大的寄生电容. 而且, 他们器件的1/4 SQUID 环路采用正方形结构[23], 与正八边形结构相比, 对称性较差, 对于环境磁场抵消不利. NIST 发展了用于TES 阵列读出的多种SQUID 复用读出技术, 其中, 时分复用SQUID 电流传感器采用二阶梯度结构[8,10,12,24]. 中国科学院上海微√Hz 系统与信息技术研究所发展了用于微弱磁场测试的SQUID 磁强计, 采用一阶梯度结构和重叠耦合方式, 磁通噪声达到3—8 µF 0/ [17,25]. 但是国内用于TES 信号读出的SQUID 电流传感器仍然没有报道.本文将介绍自主研制的基于Nb/Al-AlO x /Nb 约瑟夫森结的二阶梯度正八边形交叉耦合SQU ID 电流传感器, 测试并讨论了在液氦温区此SQU ID 电流传感器的性能, 包括磁通-电压调制曲线、电流灵敏度、磁通和电流噪声水平.2 结构设计用于TES 信号读出SQUID 电流传感器环路主要有两种平面梯度结构[1,12,18,25−27]: 一阶梯度结构和二阶梯度结构, 如图1所示. 图1(a)为SQUID 环路等效结构示意图, SQUID 环路是由两个约瑟夫森结连接组成的环路非梯度结构;图1(b)为一阶梯度并联SQUID 环路结构, 其中SQUID 环路由两个线圈并联形成; 图1(c)为一阶梯度串联SQUID 环路结构, 其中SQUID 环路由两个线圈串联形成; 图1(d)为二阶梯度并联SQU ID 环路结构, 其中SQUID 环路由四个线圈并联形成. 当外磁场变化时, 一阶梯度SQUID 环路的两个线圈中产生的电流方向相反, 引起的SQUID 电压输出相反, 从而有效地抵消垂直于SQUID 平面的均匀磁场; 二阶梯度SQUID 是将两个一阶梯度的结果再次差分, 不仅消除了垂直于SQUID 平面的均匀磁场和线性变化磁场, 还可以消除垂直于(a)(b)(c)(d)图 1 (a) SQUID 环路示意图; (b) 一阶梯度并联SQUID 环路结构示意图; (c) 一阶梯度串联SQUID 环路结构示意图; (d) 二阶梯度并联SQUID 环路结构示意图Fig. 1. Schematic diagrams of (a) SQUID loop, (b) a first-order gradiometric parallel SQUID loop, (c) a first-order gradiometric series SQUID loop, and (d) a second-order gradiometric parallel SQUID loop.SQUID 平面磁场在SQUID 平面内的不均匀分布变化.参考文献[23,24,28]的SQUID 器件参数, SQU ID 输入电流灵敏度1/M IN 设计为10—30 µA/F 0,SQUID 环路与输入线圈的互感M IN 则为67—200 pH. 反馈电流灵敏度1/M FB 设计为50—150µA/F 0, SQUID 环路与反馈线圈的互感M FB 则为13—40 pH.βc =2πI 0R 2sh C J /Φ0βL =2I 0L SQ /Φ0依据此前研究经验[29], 约瑟夫森结的临界电流密度J 0可以在1—1.5 µA/µm 2间调控, 约瑟夫森结电容C J = SC s 约为 2 pF, 其中S 为约瑟夫森结面积, C s 为单位面积约瑟夫森结电容. 当约瑟夫森结面积S 为7 µm × 7 µm 时, 临界电流I 0为49—73 µA. 由于SQUID 工作要求回滞系数小于1, 约瑟夫森结的并联电阻R sh 要小于1.5 W . 根据SQUID 的设计原则, 一般取调制系数 为1—2之间最佳. 当I 0为49—73 µA 时, SQUID 环路电感L SQ 选取为13—40 pH.根据以上参数, 设计了用于TES 信号读出的二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器, 其结构如图2所示, SQUID 环路(SQ)、输入线圈(IN)、反馈线圈(FB)均采用二阶梯度结构. SQUID 环路与输入线圈、反馈线圈均采用不同平面交叉耦合方式, 其等效电路图如图3所示.200 m mFB +FB -IN +SQ +IN -SQ -图 2 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器扫描电子显微镜图Fig. 2. Scanning electron microscope picture of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.SQUID 环路由四个正八边形槽垫圈并联组成, 其中每个槽垫圈由三个正八边形并联组成, 边长分别为17 µm, 33 µm 和45 µm. 输入线圈和反馈线圈分别与每个正八边形槽垫圈有2.5匝和0.5匝的耦合区域, 线圈的绕向极性与SQUID 环路相匹配. 两个约瑟夫森结在SQUID 环路中间,每个约瑟夫森结有两个10 µm 宽, 3 µm 长的并联电阻, 按照方块电阻值为5.6 W /□, 有效并联电阻为0.84 W . 回滞系数b c 的设计值为0.2, 确保在mK 温区实现小的噪声参数, 同时也可保证约瑟夫森结发生变化时SQUID 仍可以稳定运行. 为了减小热电子效应, 约瑟夫森结并联电阻与散热片相连.≈≈这种并联电感的设计可以增大SQUID 环路与输入线圈、反馈线圈的耦合面积, 从而提高两者之间的磁通耦合系数, 同时减小了SQUID 环路电感,增强SQUID 电流传感器的抗干扰能力. 根据SQU ID 原理[1], SQUID 的磁通噪声S F ≈ 16k B TL 2/R ,磁通电压转换系数V F 1/(πLC )1/2, 噪声能量e 16k B T (LC )1/2. 由此可知, 二阶梯度SQUID 环路中四个槽垫圈并联, 减小了SQUID 环路电感, 使得SQUID 的磁通-电压转换系数增大, 磁通噪声和噪声能量减小.M FB =k FB (L SQ L FB )1/2通过对二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的各个部分电感和互感进行仿真计算[30], 得到SQUID 环路电感L SQ 为33 pH, 输入线圈电感L IN 为3 nH, 反馈线圈电感L FB 为1 nH, SQUID 环路与输入线圈互感M IN = k IN (L SQ L IN )1/2为130 pH,SQUID 环路与反馈线圈互感 为36 pH. 因此, 设计的SQUID 电流传感器的输入电流灵敏度1/M IN 为15 µA/F 0, 反馈电流灵敏度1/M FB 为56 µA/F 0. 表1总结了二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的设计参数.SQ ++-图 3 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器等效电路图Fig. 3. Equivalent circuit of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.3 器件制备在有SiO 2绝缘层的单晶硅片衬底上, 采用直流磁控溅射生长Nb/Al-AlO x /Nb 三层膜. Nb/Al-AlO x /Nb 三层膜沉积的背景真空优于5 × 10–8Torr (1 Torr = 1.33322 × 102 Pa). 底层Nb 电极和上层Nb 电极的厚度分别为200和120 nm, Al-AlO x 的厚度为12 nm. Al 膜在不破坏真空的条件下, 使用高纯氧气氧化. 通过控制氧化压强和氧化时间来控制AlO x 势垒层的厚度, 从而调控约瑟夫森结临界电流密度. 在气压为0.5 Torr 的氧气中氧化15 h. 在生长Nb/Al-AlO x /Nb 三层膜后, 对Nb/Al-AlO x /Nb 三层膜进行光刻和刻蚀工艺: 采用反应离子刻蚀(reactive ion etching, RIE)在SF 6气体中对上层和下层Nb 膜进行图形化, 定义约瑟夫森结区和底电极图形; 采用湿法腐蚀对Al-AlO x 势垒层进行图形化, Al-AlO x 势垒层面积大于约瑟夫森结区的上层Nb 膜面积, 避免了约瑟夫森结区不可控制地侧向腐蚀. 之后, 使用等离子增强化学气相沉积系统(ICP-CVD)生长350 nm SiO 2绝缘层, 并通过ICP-RIE 刻蚀技术在CHF 3和O 2的混合气体中定义通孔结构. 采用电子束蒸发制备钯金(PdAu)电阻层, 并采用剥离的方式形成结构. PdAu 的厚度为100 nm, 方块电阻值为5.6 W /□. 最后, 采用直流磁控溅射法生长400 nm 厚的Nb 线层, 通过RIE 法在SF 6气体中刻蚀得到输入线圈、反馈线圈, 并实现结与电阻的连接. 最终制备出二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器, 其扫描电子显微镜图像如图2所示.4 性能测试和讨论SQUID 电流传感器工作时需要低温环境和良好的磁屏蔽环境. 利用铝合金液氦杜瓦提供液氦温区工作环境. 采用坡莫合金屏蔽筒内置铅超导屏蔽筒来提供良好的磁屏蔽. 使用低温胶将制备的二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器芯片固定到样品托上, 并通过PCB 板接线到SQUID 电子学系统,最后将装有SQUID 器件的样品杆置于液氦杜瓦中进行低温性能测试. SQUID 电流传感器的I -V 曲线通过传统的四电极法测试得到, 使用乐真F2002程控精密电流源输入电流, 安捷伦34420A 电压表读取电压. 使用Magnicon GmbH 公司的低噪声、高增益SQUID 电子学系统XXF-1[31]测试V -F 特性曲线. 该SQUID 电子学系统电压噪声极低, 可实现低噪声SQUID 电流传感器的磁通锁定工作.将SQUID 器件磁通锁定在1/4F 0处后, 采用动态信号分析仪HP35670A 测试SQUID 器件的噪声曲线.图4显示的是在不同温度下二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的电流-电压(I -V )曲线. 从图4可知, 该器件是非回滞的, 临界电流I c 在4.2—7.7 K 下为168—57 µA, 随着温度的升高, 器件的临界电流逐渐降低. 根据此I -V 曲线正常态的斜表 1 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的设计参数Table 1. Design parameters of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.参数设计值约瑟夫森结尺寸S /(µm × µm)7 × 7约瑟夫森结临界电流I 0/µA 49约瑟夫森结电容C J /pF2并联电阻R sh /W 0.84回滞系数b c 0.2调制系数b L1.6SQUID 环路电感L SQ /pH 33SQUID 环路与输入线圈互感M IN /pH 130SQUID 环路与反馈线圈互感M FB /pH36输入线圈电感L IN /nH 3反馈线圈电感L FB /nH 1输入电流灵敏度1/M IN /(µA·F 0–1)15反馈电流灵敏度1/M FB /(µA·F 0–1)56-50-40-30-20-1001020304050-0.3-0.2-0.100.10.20.3 6.2 K 6.9 K 7.7 K/m A/m V4.2 K 4.5 K5.0 K 5.5 K 图 4 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的电流-电压曲线Fig. 4. Current-voltage curves of the second-order gradio-metric cross-coupled SQUID current sensor.率, 得到约瑟夫森结的并联电阻R sh 为1 W .图5显示了二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器输入线圈的电压-磁通(V -F )调制曲线. 设置输入线圈的电流从0增大到100 µA 时, 呈现约5.8个周期. 输入线圈的电流灵敏度1/M IN 为17 µA/F 0,SQUID 环路与输入线圈的互感M IN 为117 pH. 这与表1中输入电流灵敏度1/M IN 设计值15 µA/F 0和SQUID 环路与输入线圈的互感仿真结果130 pH相一致.I 0≈I b ,max /2+k B T (1+√1+I b ,max Φ0/k B T )/Φ0βc =2πI 0R 2shC J /Φ0图6显示的是二阶梯度交叉耦合SQUID 器件的反馈线圈的电压-磁通(V -F )调制曲线. V -F 调制曲线的峰峰值最大为31 µV, 磁通-电压转换系数为108 µV/F 0. 使用具有良好磁屏蔽效果的坡莫合金和铅屏蔽罩时, 二阶梯度交叉耦合SQUID 器件在4.2 K 工作时V -F 调制曲线的调制深度最大时对应的偏置电流I b,max 为215 µA. 根据公式[32],I b,max 为V -F 调制曲线峰峰值最大时SQUID 器件的偏置电流, 估算SQUID 器件中约瑟夫森结的临界电流I 0为110 µA. 回滞系数 为0.67, SQUID 器件中的约瑟夫森结为过阻尼结. 而使用具有没有磁屏蔽效果的不锈钢罩时,SQUID 器件的I b,max 为218 µA. 因此, 在不同屏蔽环境下SQUID 器件的I b,max 变化不大, 也说明SQUID 器件的临界电流受热噪声和外界磁场的影响不大.设置反馈线圈的电流从0增加到250 µA 时,反馈线圈V -F 曲线呈现约2.9个周期. 反馈线圈的电流灵敏度1/M FB 为86 µA/F 0, SQUID 环路与反馈线圈的互感M FB 为24 pH. 这与表1中反馈电流灵敏度1/M FB 设计值56 µA/F 0和SQUID 环路与反馈线圈的互感仿真结果36 pH 相接近.√S V √Hz √S Φ=(√S V /R f )M FB √Hz √S I =√S Φ/M IN √Hz 为了评估二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的抗环境干扰能力, 对比测试具有良好磁屏蔽的坡莫合金/铅屏蔽筒和没有磁屏蔽效果的不锈钢套筒下的噪声水平. 将SQUID 电流传感器的工作点磁通锁定在图6中 V -F 曲线的1/4 F 0处, 测试结果如图7所示. 为了避免SQUID 电子学中前置放大器的噪声的影响, 通过磁通锁定环的反馈电路计算了该器件的磁通噪声曲线, 电压白噪声 为1.7 µV/ , 反馈电路中反馈电阻R f 为10 k W , 其磁通白噪声 为2 µF 0/ ,电流白噪声 为34 pA/ , 1/f 拐点频率约为200 Hz, 可满足部分TES 对SQUID 电流传感器的噪声要求[10]. 从图7可以看出, 当频率f < 20 Hz 时, 在无磁屏蔽条件下测试二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器得到的噪声水平比在良好磁屏蔽条件下测试得到的噪声大. 在0.1 Hz 处, 无磁屏蔽条件下比良好磁屏蔽条件下测试得到的噪声水平增大了一个量级. 而在低频下,非梯度SQUID 器件在无磁屏蔽下比良好磁屏蔽下的噪声水平增大了三个量级[18]. 当频率f > 20 Hz 时, 无磁屏蔽条件下和良好磁屏蔽条件下测试得到的噪声水平相当. 这说明该二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器可在无磁屏蔽环境下工作, 具有良好的抵抗环境电磁干扰能力.01234561020304050 /m V( 0)图 5 二阶梯度交叉耦合SQUID 输入线圈的电压-磁通调制曲线Fig. 5. Voltage-flux curve for the input coil of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID.00.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.01020304050/m V( 0)图 6 二阶梯度交叉耦合SQUID 反馈线圈的电压-磁通调制曲线Fig. 6. Voltage-flux curve for the feedback coil of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID.1/f 噪声主要来自约瑟夫森结的临界电流涨落和SQUID器件中捕获磁通线的运动[1]. 1/f噪声拐点频率较高可能与约瑟夫森结的尺寸、临界电流和SQUID 梯度结构捕获磁通的能力有关. 减小约瑟夫森结尺寸, 降低临界电流, 可抑制临界电流涨落, 同时, 减小约瑟夫森结尺寸, 可减弱对磁场线的捕获能力.√Hz 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的液氦温区相关的测试结果总结在表2. 由表2可以看出,研制的二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器可以初步用于TES 的信号读出, 电流分辨率达到34 pA/ . 进一步优化输入线圈匝数和SQUID 环路大小, 提高SQUID 环路与输入线圈之间的互感, 可以提高二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的输入电流灵敏度, 从而降低电流噪声水平; 进一步减小约瑟夫森结尺寸, 降低临界电流, 降低1/f 拐点频率, 满足更微弱、更低频信号变化的TES 探测要求.5 结　论√Hz √Hz 本文研制了基于Nb/Al-AlO x /Nb 约瑟夫森结的二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器, 其中SQUID 环路、输入线圈和反馈线圈都是二阶梯度结构, SQUID 与输入线圈、反馈线圈采用不同平面交叉耦合方式, 实现了器件的输入电流灵敏度达到17 µA/F 0, 磁通白噪声达到2 µF 0/ , 电流白噪声达到34 pA/ . 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器具有良好的抵抗环境电磁干扰能力. 未来将进一步优化二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器中SQUID 环路与输入线圈的互感, 优化约瑟夫森结尺寸和临界电流, 从而提高器件的电流灵敏度, 降低电流噪声水平, 降低1/f 拐点频率, 满足更微弱电流信号变化的、更低频下TES 应用的需求.感谢中国计量科学研究院杨雁、张明宇和倪泽刚的讨论和帮忙.参考文献C larke J, Braginski A I 2004 The SQUID Handbook (Vol. 1)(KgaA, Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.) pp1−210[1]G ranata C, Vettoliere A, Russo R, Fretto M, de Leo N,Lacquaniti V 2013 Appl. Phys. Lett. 103 102602[2]U llom J N, Bennett D A 2015 Supercond. Sci. Technol. 28084003[3]J ackson B D, Korte P A J, Kuur J, Mauskopf P D, Beyer J,Bruijn M P, Cros A, Gao J R, Griffin D, Hartog R, Kiviranta M, Lange G, Leeuwen B J, Macculi C, Ravera L, Trappe N,Weers H, Withington S 2012 IEEE Trans. Terahertz Sci. and Technol. 2 12[4]H enderson S W, Ahmed Z, Austermann J, Becker D, BennettD A, Brown D, Chaudhuri S, Cho H M S, D'Ewart J M,Dober B, Duff S M, Dusatko J E, Fatigoni S, Frisch J C,Gard J D, Halpern M, Hilton G C, Hubmayr J, Irwin K D,KarpelE D, Kernasovskiy S S, Kuenstner S E, Kuo C L, Li D, Mates J A B, Reintsema C D, Smith S R, Ullom J, Vale L R, Winkle D D V, Vissers M, Yu C 2018 Proc. SPIE,Millimeter, Submillimeter, and Far-Infrared Detectors and Instrumentation for Astronomy IX Texas, United States, June 10−15 2018 p1070819[5]C ui W, Chen L B, Gao B, Guo F L, Jin H, Wang G L, WangJ J, Wang W, Wang Z S, Wang Z, Yuan F, Zhang W 2020 J.Low Temp. Phys. 199 502[6]10-1100101102103104100101102103/Hz不锈钢套筒坡莫合金/铅屏蔽筒101102103104/(p A S H z-1)/(m 0S H z -1)图 7 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的噪声曲线Fig. 7. Noise curves of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.表 2 二阶梯度交叉耦合SQUID 电流传感器的性能参数Table 2. Property parameters of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor.参数实测值偏置电流I b, max /µA 215并联电阻R sh /W 1回滞系数b c0.67输入电流灵敏度1/M IN /(µA·F 0–1)17反馈电流灵敏度1/M FB /(µA·F 0–1)86磁通-电压转换系数V F /(µV·F 0–1)108最大调制峰值V pp /µV31√S Φ√Hz 磁通白噪声 /(µF 0· –1)2√S I √Hz 电流白噪声 /(pA· –1)34SQUID 环路与输入线圈互感M IN /pH 117SQUID 环路与反馈线圈互感M FB /pH24S chmidt M, Helversen M, López M, Gericke F, SchlottmannE, Heindel T, Kück S, Reitzenstein S, Beyer J 2018 J. Low Temp. Phys. 193 1243[7]I rwin K D 2002 Physica C 368 203[8]K empf S, Wegner M, Fleischmann A, Gastaldo L, HerrmannF, Papst M, Richter D, Enss C 2017 AIP Adv. 7 015007[9]B ennett D A, Mates J A B, Gard J D, Hoover A S, Rabin MW, Reintsema C D, Schmidt D R, Vale L R, Ullom J N 2015IEEE Trans. Appl. Supercond. 25 2101405[10]D rung D, Abmann C, Beyer J, Kirste A, Peters M, Ruede F,Schurig T 2007 IEEE Trans. Appl. Supercond. 17 699[11]S tiehl G M, Cho H M, Hilton G C, Irwin K D, Mates J A B,Reintsema C D, Zink B L 2011 IEEE Trans. Appl.Supercond. 21 298[12]B eyer J, Drung D 2008 Supercond. Sci. Technol. 21 095012[13]S churig T 2014 J. Phys. Conf. Ser. 568 032015[14]S ilva-Feaver M, Arnold K, Barron D, Denison E V, Dobbs M,Groh J, Hilton G, Hubmayr J, Irwin K, Lee A, Vale L R 2018J. Low Temp. Phys. 193 600[15]S churig T, Trahms L 2009 IEEE CSC & ESAS EuropeanSuperconductivity News Forum 3 RN9[16]H an H X, Zhang G F, Zhang X, Liang T T, Ying L L, WangY L, Peng W, Wang Z 2019 Acta Phys. Sin. 68 138501 (in Chinese) [韩昊轩, 张国峰, 张雪, 梁恬恬, 应利良, 王永良, 彭炜,王镇 2019 物理学报 68 138501][17]D rung D 2016 IEEE CSC & ESAS European Supercon-ductivity News Forum 10 CR70[18]S QUID sensors, Magnicon GmbH [2021-02-07][19]L TS Sensors, STAR Cryoelectronics [2021-02-07][20]C antor R, Hall J A, Matlachov A N, Volegov P L 2007 IEEETrans. Appl. Supercond. 17 672[21]K empf S, Ferring A, Fleischmann A, Gastaldo L, Enss C,2013 Supercond. Sci. Technol. 26 065012[22]K empf S, Ferring A, Fleischmann A, Enss C 2015 Supercond.Sci. Technol. 28 045008[23]D oriese W B, Morgan K M, Bennett D A, Denison E V,Fitzgerald C P, Fowler J W, Gard J D, Hays-Wehle J P,Hilton G C, Irwin K D, Joe Y I, Mates J A B, O’Neil G C,Reintsema C D, Robbins N O, Schmidt D R, Swetz D S,Tatsuno H, Vale L R, Ullom J N 2016 J. Low Temp Phys 184389[24]Z hang X, Zhang G, Wang Y, Rong L, Zhang S, Wu J, Qiu L,Xie X, Wang Z 2019 IEEE Trans. Appl. Supercond. 291600503[25]K uriki S, Isobe Y, Mizutani Y 1987 J. Appl. Phys. 61 781[26]C arelli P, Chiaventi L, Leoni R, Pullano M, Spagnolo G S1991 Clin. Phys. Physiol. Meas. 12 13[27]B eyer J, Drung D, Peters M, Schurig T, Bandler S R 2009IEEE Trans. Appl. Supercond. 19 505[28]X u D, Li J, Cao W, Liu J, Chen W 2020 Conference onPrecision Electromagnetic Measurements Denver, United States, August 24−28 2020 p9191689[29]F ourie C J, Perold W J 2005 IEEE Trans. Appl. Supercond.15 300[30]D rung D, Hinnrichs C, Barthelmess H 2006 Supercond. Sci.Technol. 19 S235[31]D rung D, Ludwig F, Müller W, Steinhoff U, Trahms L, KochH, Shen Y Q, Jensen M B, Vase P, Holst T, Freltoft T, Curio G 1996 Appl. Phys. Lett. 68 1421[32]A second-order gradiometric superconducting quantum interference device current sensorwith cross-coupled structure *Xu Da 1) Zhong Qing 1)† Cao Wen -Hui 1) Wang Xue -Shen 1)Wang Shi -Jian 1) Li Jin -Jin 1)‡ Liu Jian -She 2) Chen Wei 2)1) (Center for Advanced Measurement Science , National Institute of Metrology , Beijing 102200, China )2) (Institute of Microelectronics , Tsinghua University , Beijing 100084, China )( Received 31 October 2020; revised manuscript received 5 February 2021 )Abstract√Hz √Hz Superconducting quantum interference device (SQUID) has extremely high magnetic field sensitivity,current sensitivity, and can detect a low-noise weak current signal. The SQUID current sensor has become the only option of the readout of low-noise detector, such as transition-edge sensor (TES). In this paper, a second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor for TES application is developed. According to the requirements for TES detectors, the structure and various parameters of SQUID current sensor are designed.The SQUID loop, input coil and feedback coil of the SQUID current sensor all use the second-order gradiometric structure. All the couple ways between SQUID loop and input coil or feedback coil adopt cross-coupling mode in different planes, which can effectively weaken the parasitic capacitance. A second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor based on Nb/Al-AlO x /Nb Josephson junction is successfully fabricated on a silicon wafer by optimizing the process. The properties of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor are measured at liquid helium temperature. The bias current of SQUID is 215 µA when the modulation depth of V -F modulation curve is maximum. The maximum modulation peak of SQUID is 31 µV. The flux-to-voltage transfer coefficient of SQUID is 108 µV/F 0. The input coil current sensitivity is 17 µA/F 0, the mutual inductance between SQUID loop and input coil is 117 pH. The current sensitivity of feedback coil is 86 µA/F 0, the mutual inductance between SQUID loop and feedback coil is 23 pH.The second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor has a white flux noise of 2 µF 0/ and awhite current noise of 34 pA/ with 1/f corner frequency around 200 Hz. The result of noise level under the condition without magnetic shielding shows that the SQUID current sensor with second-order gradiometric cross-coupled structure has an excellent capability of weakening the environmental electromagnetic interference.In the future, we will further improve the mutual inductance of the second-order gradiometric cross-coupled SQUID current sensor between SQUID loop and input coil, optimize the size and critical current of Josephson junction, in order to improve the input sensitivity of SQUID device, reduce the current noise level and the 1/f corner frequency, and meet more requirements for TES applications.Keywords: superconducting quantum interference device, transition-edge sensor, flux noise, current noise,current sensitivityPACS: 85.25.Dq DOI: 10.7498/aps.70.20201816* Project supported by the National Key R&D Program of China (Grant No. 2017YFF0206105), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61701470, 20161361354), and the National Institute of Metrology China (Grant Nos.AKY1946, AKYZD2012).† Corresponding author. E-mail: zhongq @‡ Corresponding author. E-mail: jinjinli @。

MPMS磁学测量仪一．测量原理SQUID（超导量子干涉仪）的测量原理——约瑟夫森效应（Josephson effect）约瑟夫森效应是指电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。

1962年由B.D 约瑟夫森首先在理论上预言，在不到一年的时间内，P.W.安德森和J.M.罗厄耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言。

两块超导体通过一绝缘薄层(厚度为10埃左右)连接起来，绝缘层对电子来说是一个势垒，一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中，这是特有的量子力学的隧道效应。

当绝缘层太厚时，隧道效应不明显，太薄时，两块超导体实际上连成一块，这两种情形都不会发生约瑟夫森效应。

绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。

两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结。

图1 临界电流随结区磁通量的变化关系直流约瑟夫森效应主要表现为，结两端的电压V＝0时，结中可存在超导电流，它是由超导体中的库珀对的隧道效应引起的。

只要该超导电流小于某一临界电流I c，就始终保持此零电压现象，I c称为约瑟夫森临界电流。

I c对外磁场十分敏感，甚至地磁场可明显地影响I c。

沿结平面加恒定外磁场时，结中的隧道电流密度在结平面的法线方向上产生不均匀的空间分布。

改变外磁场时，通过结的超导电流I s随外磁场的增加而周期性地变化，称为超导隧结的量子衍射现象。

约瑟夫森效应不仅生动地显示了宏观量子力学效应，具有重要的理论意义，而且有广泛的实际应用。

利用它可制作超导量子干涉器件，其中最典型的是直流超导量子干涉器件，它是由两个完全相同的约瑟夫森结用超导体并联而成的双结超导环。

在环面垂直的方向上加外磁场B，外磁场变化时，流过每个结的超导电流也随B而变，两个超导电流耦合而发生干涉。

若以直流电流作为双结的偏置电流，结电压将随外磁场的改变作周期性变化，于是利用直流超导量子干涉器件可将磁场信号转变为电压信号，因此超导量子干涉器常用来组成超导磁强计、磁梯度计、磁化率计、高灵敏度的检流计和电压计、噪声温度计等。

超导量子干涉仪的使用指南引言：超导量子干涉仪是一种创新性的实验设备，能够帮助研究人员进行精确的量子测量和粒子干涉实验。

本文将介绍超导量子干涉仪的基本原理、操作步骤以及一些常见的实验应用。

一、超导量子干涉仪基本原理超导量子干涉仪是利用超导材料的特性构建的一种测量仪器。

超导材料在低温下能够表现出零电阻和完美磁场屏蔽的特性，这使得它们非常适合用于量子实验中。

超导量子干涉仪通常由一个超导环和几个量子比特组成。

量子比特是量子信息的基本单位，可以用于存储和处理量子信息。

二、超导量子干涉仪的操作步骤1.制备超导环：首先，需要准备超导环的材料。

常用的超导材料有铌和铌钛合金。

接下来，利用微电子加工技术制备超导环的结构。

这包括利用光刻和腐蚀等步骤在导电层上刻蚀出所需的结构图案。

2.制备量子比特：通过纳米加工技术，在超导环上制备量子比特。

量子比特通常由超导电弧和Josephson结构组成。

超导电弧用于存储量子信息，而Josephson结构用于控制量子比特的态。

3.制冷：超导量子干涉仪需要在极低的温度环境下工作，通常需要将其冷却到几个毫开尔文以下的温度。

常用的制冷方法有冷头制冷和液氮制冷。

在制冷过程中，需要注意避免热噪声对实验的干扰。

4.实验操作：一旦超导量子干涉仪被制冷到所需的温度，就可以进行实验操作了。

通过调节外部磁场和微波信号等参数，可以实现对量子比特的控制和读取。

通过改变量子比特的状态和相互作用，可以实现各种量子干涉实验，如时间干涉仪和空间干涉仪等。

三、超导量子干涉仪的实验应用1.量子计算：超导量子干涉仪可以用于实现量子计算。

量子计算是利用量子力学的原理进行计算的一种新型计算方式，可以解决当前经典计算机难以解决的一些问题。

通过控制量子比特的状态和相互作用，可以实现并行计算和量子纠错等功能。

2.量子通讯：超导量子干涉仪可以用于量子通讯。

量子通讯是一种基于量子态传输的通讯方式，具有高度的安全性。

通过利用超导量子干涉仪中量子比特之间的纠缠态，可以实现量子密钥分发和量子远程通信等功能。

超导技术在环境科学中的应用引言随着全球环境问题的日益严重，人们对环境科学的研究和应用需求也越来越迫切。

在这个背景下，超导技术作为一种高效能、低能耗的新兴技术，逐渐引起了环境科学领域的关注。

本文将探讨超导技术在环境科学中的应用，并分析其优势和潜在的挑战。

一、超导技术在环境监测中的应用1.1 超导量子干涉仪在大气污染监测中的应用大气污染是当前全球面临的一个重大环境问题。

超导量子干涉仪（SQUID）是一种高灵敏度的测量设备，能够检测微小的磁场变化。

利用SQUID技术，可以实时监测大气中的微量有害气体，如二氧化硫、氮氧化物等。

通过对这些有害气体的实时监测，我们可以更加准确地评估大气污染的程度，为环境保护提供科学依据。

1.2 超导磁测技术在水质监测中的应用水质污染是另一个全球性的环境问题。

超导磁测技术（SMT）是一种基于超导量子干涉效应的测量技术，能够实时监测水体中微量的污染物。

通过将SMT应用于水质监测，可以快速准确地检测水体中的重金属、有机污染物等有害物质，为水质管理和保护提供重要的数据支持。

二、超导技术在环境治理中的应用2.1 超导电力设备在可再生能源开发中的应用可再生能源是解决能源和环境问题的重要途径之一。

超导电力设备具有低损耗、高效能的特点，可以提高可再生能源的利用效率。

例如，超导电缆可以减少输电损耗，提高电网的稳定性和可靠性；超导发电机可以提高风力发电和水力发电的效率。

因此，超导技术在可再生能源开发中具有巨大的潜力。

2.2 超导材料在废气处理中的应用废气处理是环境治理的重要内容之一。

超导材料具有良好的电磁性能和化学稳定性，可以用于废气中有害物质的吸附和分离。

例如，超导氧化物材料可以吸附和催化分解废气中的有机污染物，从而减少大气污染物的排放。

此外，超导材料还可以用于废气中的气体分离和回收，提高资源利用率。

三、超导技术在环境修复中的应用3.1 超导磁体在土壤修复中的应用土壤污染是一个严重的环境问题，对生态系统和人类健康造成了巨大的威胁。

航天器用钟的超导量子干涉仪在时间测量中的应用导语：随着航天技术的不断发展，航天器的运行精度和时间测量的需求越来越高。

为了满足这一需求，科学家们研发出了一种先进的时间测量技术——超导量子干涉仪。

本文将介绍航天器用钟的超导量子干涉仪在时间测量中的应用，以及它带来的重要意义。

1. 超导量子干涉仪的原理和特点超导量子干涉仪是一种基于超导材料和量子效应的测量工具。

它利用超导材料中的电流量子和电压量子的相干性，以及其对电磁场的微弱响应，实现高精度的时间测量。

超导量子干涉仪具有以下几个特点：a. 高精度：超导量子干涉仪的测量精度达到亚纳秒级别，甚至更高。

这使得航天器的时间测量更加准确和可靠。

b. 高稳定性：超导量子干涉仪具有优异的稳定性，能够长时间保持高精度的测量结果，不受外界干扰的影响。

c. 宽频带：超导量子干涉仪具有宽频带特性，可以同时测量多个频率信号，满足航天器各种复杂任务的时间需求。

2. 超导量子干涉仪的在航天器导航中的应用a. 高精度航天器定位：超导量子干涉仪可以通过测量航天器与地面基准站之间的相对距离，实现高精度的航天器定位。

这对于卫星轨道的精确控制、导航系统的精确定位具有重要意义。

b. 航天器时钟同步：超导量子干涉仪可以对航天器的钟进行高精度的时间同步，确保不同航天器之间的数据传输和通信的准确性。

这对于航天器的联合任务和协同工作至关重要。

3. 超导量子干涉仪的在航天器测速和测时中的应用a. 航天器速度测量：超导量子干涉仪可以通过测量航天器与地面基准站之间的时间延迟，精确计算航天器的速度。

这对于航天器的姿态控制、轨道调整等任务具有重要作用。

b. 航天器时间测量：超导量子干涉仪可以对航天器内部的时间进行高精度的测量，确保航天器各个子系统的同步工作。

这对于航天器的正常运行和故障排查具有关键作用。

4. 超导量子干涉仪在航天器导航与控制中的意义航天器的导航和控制是航天任务的核心环节，关系到任务的成功与否。

超导量子干涉仪实验的操作指南与数据分析超导量子干涉仪是一种重要的量子技术装置，它在量子计算、量子通信和量子传感等领域具有广泛的应用。

本文将为读者提供一份超导量子干涉仪实验的操作指南与数据分析，帮助读者更好地掌握该实验技术。

一、超导量子干涉仪的基本原理超导量子干涉仪是基于超导量子比特构建的干涉装置，其基本原理是利用量子比特之间的相干叠加态进行干涉实验。

该装置一般由微波腔、耦合器、量子比特和读取线等组成。

二、超导量子干涉仪的实验操作步骤1. 实验前准备在进行超导量子干涉仪实验前，首先需要对设备进行准备，包括检查设备的连接状态、调整实验装置的参数等。

同时，确保实验环境的稳定性和实验装置的冷却状态。

2. 初始化量子比特在实验开始时，需要将量子比特初始化到一个已知的状态，常用的方法是进行拉比振荡实验。

通过调整驱动脉冲的幅度和频率，使量子比特从基态（|0⟩）向激发态（|1⟩）进行转换，记录该过程中的振荡频率和幅度。

3. 进行干涉实验在量子比特初始化完成后，可以进行超导量子干涉实验。

根据实验需要，可以将多个量子比特进行耦合，构建起量子比特之间的相干叠加态。

通过微调参数和改变干涉装置的结构，可以实现不同形式的干涉实验，如单比特干涉、双比特干涉等。

4. 读取量子比特的状态在干涉实验进行过程中，需要读取量子比特的状态。

一种常用的读取方法是通过测量微波信号的反射或透射来获取量子比特的信息。

读取的结果通常以概率的形式给出，通过多次实验并统计结果，可以得到量子比特在不同状态的概率分布。

三、超导量子干涉仪实验数据的分析方法在进行超导量子干涉仪实验后，需要对实验数据进行分析和处理，以获得相关的物理参数和结论。

常用的数据分析方法包括以下几个方面：1. 拉比振荡曲线拟合通过对实验得到的拉比振荡曲线进行拟合，可以得到量子比特的拉比频率和湮灭频率。

拟合得到的结果可以用来判断量子比特的准确性和稳定性。

2. 干涉条纹的处理对于干涉实验得到的条纹图案，可以通过图像处理方法进行分析。

超导量子干涉仪技术在物理实验中的应用引言：随着科学技术的发展，超导量子干涉仪技术成为了物理实验中的重要工具。

超导量子干涉仪，简称超导干涉仪，是一种基于超导原理的仪器，可以用于测量微小的物理量，并在量子领域具有广阔的应用前景。

第一部分：超导量子干涉仪的基本原理超导量子干涉仪利用超导电子的特殊性质，在超导态下的两个超导导体之间产生干涉效应。

根据量子力学的原理，当两个超导导体之间形成一个闭合环路时，超导电子会通过所有可能的路径一起传输，这种现象被称为量子干涉效应。

超导量子干涉仪的基本原理可以描述为一束超导电子在系统中形成的波包的干涉。

第二部分：超导量子干涉仪在量子计算中的应用超导量子干涉仪技术在量子计算领域有着重要的应用。

量子计算是一种基于量子力学原理的计算方式，相较于传统计算机而言，其速度和处理能力更强。

超导量子干涉仪作为量子计算的核心设备之一，可以帮助实现量子比特的控制和干涉，进而实现量子计算的高速和高效。

第三部分：超导量子干涉仪在量子通信中的应用除了在量子计算方面的应用外，超导量子干涉仪技术还有着重要的应用于量子通信领域。

量子通信是一种基于量子态传输信息的通信方式，具有高度安全性和抗干扰能力。

超导量子干涉仪通过利用量子干涉效应实现量子态的控制和传输，可以用于构建量子通信系统中的关键部件，如量子中继器和量子通信节点。

第四部分：超导量子干涉仪在量子传感领域的应用超导量子干涉仪技术还在量子传感领域展现出广阔的应用前景。

量子传感是一种利用量子态的特殊性质来测量微小物理量的技术，具有高灵敏度和高分辨率的特点。

超导量子干涉仪作为一种高精度测量设备，可以帮助实现微小物理量的高精度测量，如力、形变、磁场等。

结论：超导量子干涉仪技术在物理实验中扮演着重要的角色，其在量子计算、量子通信和量子传感等领域的应用前景广阔。

随着技术的不断进步和研究的深入，相信超导量子干涉仪技术将为物理实验的发展和创新提供更多的可能性。