SQUID(超導(dǎo)量子干涉儀)

內(nèi)容SQUID的發(fā)展背景相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)和原理介紹

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超導(dǎo)簡單介紹

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單電子隧道效應(yīng)

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約瑟夫森效應(yīng)

○DCSQUID原理DCSQUID系統(tǒng)的介紹SSM（ScanningSQUIDMicroscopy)簡介現(xiàn)在是1頁\一共有24頁\編輯于星期一SQUID的發(fā)展SQUID(SuperconductingQuantumnInterferenceDevice),是在約瑟夫森結(jié)上發(fā)展起來的基于量子干涉原理的儀器；主要有兩類DCSQUID（直流）&RFSQUID（射頻）1962年Josephson理論研究了兩塊超導(dǎo)體被一層薄絕緣層分開的S-I-S結(jié)，為SQUID的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。PhysicsLetters,1962vol.1,Issue7,pp.251-253Josephson,

B.

D.

1964年，R.C.Jaklevicetal.提出了雙JosephsonJunction量子干涉模型。Phys.Rev.Lett.12,159-160(1964)

R.C.Jaklevic

etal.

60年代下半葉，制造簡陋的dcSQUID開始為低溫物理學(xué)家用于測量。60年代末開始出現(xiàn)RFSQUID。相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，dcSQUID被摒棄，直到1974年出現(xiàn)靈敏性高于RFSQUID的儀器。1987年Koch和Nakane首先制造出了高溫dc-SQUID。Appl.Phys.Lett.51(3).20July1987R.H.Koch

etal.

現(xiàn)在是2頁\一共有24頁\編輯于星期一超導(dǎo)體的簡單介紹1911年Onnes首次在極低溫下發(fā)現(xiàn)了Hg的超導(dǎo)電現(xiàn)象即在某個(gè)轉(zhuǎn)變溫度下電阻完全消失。－－－零電阻效應(yīng)1933年邁斯納以實(shí)驗(yàn)揭示了超導(dǎo)體的另一特性－－－抗磁性

1935年F.London和H.London提出唯象理論，統(tǒng)一概括了零電阻和邁斯納效應(yīng).

SeriesA,MathematicalandPhysicalSciences,Vol.149,No.866.(Mar.1,1935),pp.71-88.F.London&H.London1950年Ginzburg和Laudau提出理論，其中ns是溫度T、空間位置r和磁場B的函數(shù)，其方程和微觀上的薛定諤方程一致，提出磁通量子化。Teor.Fiz.20,1064(1950)Ginzburg,Laudau

1957年，由Bardeen、Cooper和Schriffer提出BCS理論，由此確立了超導(dǎo)典型的量子理論

Phys.Rev.108,1175-1204(1957)J.Bardeen,L.N.Cooper*,andJ.R.Schrieffer?

現(xiàn)在是3頁\一共有24頁\編輯于星期一超導(dǎo)中的磁通量子化黃昆《固體物理學(xué)》超導(dǎo)體內(nèi)js=0，Cooper對波函數(shù)相位滿足取一個(gè)回路，作環(huán)路積分超導(dǎo)中沒有磁場，這就是通過環(huán)孔的磁通量，左端為一周的相位增加，為使波函數(shù)回到同一點(diǎn)不會(huì)發(fā)生實(shí)質(zhì)變化于是現(xiàn)在是4頁\一共有24頁\編輯于星期一單電子隧道效應(yīng)IvarGiaeverandKarlMegerlePhy.Rev.Volume122(1101)1961N-I-N結(jié)在沒有外加電壓時(shí)，兩邊的金屬費(fèi)米能級(jí)相同，當(dāng)有外加電壓時(shí)，兩層金屬費(fèi)米能級(jí)相差-qV隧穿的電子數(shù)目正比于所加電壓，因而電壓電流曲線如左圖?，F(xiàn)在是5頁\一共有24頁\編輯于星期一IvarGiaeverandKarlMegerle–Phy.Rev.Volume122(1101)1961S-I-N結(jié)其中一種金屬變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)，在T=0時(shí)，當(dāng)0<V<E1/q時(shí)不能產(chǎn)生電流，只有當(dāng)V>＝E1/q才能產(chǎn)生電流，當(dāng)V很大后就趨于N的情況了。T>0時(shí)，由于超導(dǎo)態(tài)的能隙上也會(huì)有少量電子，所以在0<V<E1/q上也會(huì)存在一定的隧道電流現(xiàn)在是6頁\一共有24頁\編輯于星期一IvarGiaeverandKarlMegerle–Phy.Rev.Volume122(1101)1961S-I-S結(jié)當(dāng)兩層金屬都處于超導(dǎo)態(tài)時(shí),在T=0時(shí)僅當(dāng)V>=（E1＋E2）/q時(shí)才有隧穿電流；在T>0時(shí)，在V>=（E1－E2）/q時(shí)，隧道電流極大，隨著電壓增大，會(huì)因?yàn)閼B(tài)密度減小的原因，電流下降，直到V=（E1＋E2）/q，電流大小又開始急劇增大（態(tài)密度較大的部分上升）現(xiàn)在是7頁\一共有24頁\編輯于星期一約瑟夫森效應(yīng)（S-I-S）直流約瑟夫森效應(yīng)Ψ1Ψ2Supercon.1Supercon.2Isolator將代入，經(jīng)處理得在外加電壓為零時(shí)，有一超導(dǎo)電流，其數(shù)值由位相差決定。VIba現(xiàn)在是8頁\一共有24頁\編輯于星期一交流約瑟夫森效應(yīng)Ψ1Ψ2Supercon.1Supercon.2Isolator若在結(jié)的兩側(cè)加上電壓，則方程變?yōu)橛猛瑯拥姆绞娇傻萌鬡！=0,電子對穿過勢壘會(huì)發(fā)射或吸收能量為的光子現(xiàn)在是9頁\一共有24頁\編輯于星期一

有磁場存在時(shí)，根據(jù)規(guī)范不變性，達(dá)到多出的一項(xiàng)相位因子磁場對隧道結(jié)的相位調(diào)制作用若考慮結(jié)兩邊不加電壓的情況，若磁場沿x方向，大小為B0，則A(0,0,B0y)則有Ψ1Ψ2Supercon.1Supercon.2IsolatorzxyI達(dá)到極值,令上式讓我們聯(lián)想到光學(xué)中的夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣，這就是超導(dǎo)量子衍射現(xiàn)象?，F(xiàn)在是10頁\一共有24頁\編輯于星期一dcSQUID原理前面我們提到磁通量子化，但在這里，隧道結(jié)是有臨界電流的，其和環(huán)路的自感很小，對環(huán)內(nèi)磁通沒有什么影響，磁通完全由所加外場決定。不過，繞環(huán)路一周，波函數(shù)相位還是變化R.C.Jaklevic現(xiàn)在是11頁\一共有24頁\編輯于星期一代入并整理后得J=0無自感時(shí)現(xiàn)在是12頁\一共有24頁\編輯于星期一一個(gè)磁通量子約因而對外加場的微小變化都很靈敏現(xiàn)在是13頁\一共有24頁\編輯于星期一PrinciplesandapplicationsofSQUIDJ.Clarke實(shí)際使用時(shí)，檢測臨界電流是很困難的，我們可以加一個(gè)大于最大臨界電流的偏置電流，根據(jù)V-I關(guān)系，我們可以得到電壓－磁通關(guān)曲線。其位相正好與電流相反?，F(xiàn)在是14頁\一共有24頁\編輯于星期一SQUID各種系統(tǒng)可以用于測量與磁通量相關(guān)的量磁場(Magnetometer)電壓(Voltmeter)磁場梯度(Gradiometer)磁化率(Suceptometer)

現(xiàn)在是15頁\一共有24頁\編輯于星期一DcSQUID系統(tǒng)的介紹及應(yīng)用StandardDCSQUIDsystemwithfluxmodulationandimpendancematchingcircuitDCSQUIDsystemsoverviewSupercond.Sci.Technol.4(1991)377-385Drung現(xiàn)在是16頁\一共有24頁\編輯于星期一MagnetometerGradmeterVoltmeterSuperconductiongfluxtransformers現(xiàn)在是17頁\一共有24頁\編輯于星期一ModulationandfeedbackcircuitPrinciplesandapplicationsofSQUIDJ.Clarke現(xiàn)在是18頁\一共有24頁\編輯于星期一SSM（掃描超導(dǎo)量子干涉顯微鏡）現(xiàn)在是19頁\一共有24頁\編輯于星期一MagneticMicroscopyofNanostructuresH.Hopster.springer現(xiàn)在是20頁\一共有24頁\編輯于星期一MagneticMicrosc