鄭東寧

1) (中國科學(xué)院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國家研究中心,北京 100190)

2) (中國科學(xué)院大學(xué),物理科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

3) (松山湖材料實驗室,東莞 523808)

超導(dǎo)現(xiàn)象是一種宏觀量子現(xiàn)象.磁通量子化和約瑟夫森效應(yīng)是兩個最能體現(xiàn)這種宏觀量子特性的物理現(xiàn)象.超導(dǎo)量子干涉器件 (superconducting quantum interference device,SQUID)是利用這兩個特性而形成的超導(dǎo)器件.SQUID器件在磁信號靈敏探測方面具有廣泛的應(yīng)用.本文簡要介紹低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)SQUID器件的相關(guān)背景和發(fā)展現(xiàn)狀以及應(yīng)用領(lǐng)域.

1 引 言

根據(jù)BCS理論,超導(dǎo)體中的載流子在臨界溫度Tc以下會形成庫珀對,并發(fā)生凝聚形成一種宏觀有序態(tài).這種有序態(tài)可以用一個宏觀波函數(shù)(序參量)描述.事實上,在 BCS 理論出現(xiàn)之前,London[1]就指出超導(dǎo)是一種宏觀量子現(xiàn)象.他還進(jìn)一步預(yù)言一個閉合超導(dǎo)環(huán)所包含的磁通是量子化的,是磁通量子Φ0的整數(shù)倍,其中磁通量子是普朗克常數(shù)h除以載流子的有效電荷[1].這一預(yù)言后來得到了很好的實驗驗證,實驗結(jié)果顯示Φ0=h/2e≈2.0678 × 10—15Wb[2,3](這里e為電子電荷).分母為2e表明了超導(dǎo)體中的超導(dǎo)載流子是兩個電子配對形成的庫珀對.高溫超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)以后,實驗上也很快驗證了高溫超導(dǎo)閉合環(huán)路中的磁通同樣是量子化的[4],最小單元也是Φ0.磁通量子化是由超導(dǎo)宏觀波函數(shù)的單值性決定的,即繞環(huán)路一圈回到原點后波函數(shù)的值不變,相位變化須是2π的整數(shù)倍.

1962年約瑟夫森預(yù)言[5],被一層很薄絕緣體分開的兩個超導(dǎo)體形成的超導(dǎo)-絕緣-超導(dǎo)(S-I-S)隧道結(jié)中,兩側(cè)的超導(dǎo)波函數(shù)會穿過絕緣層彼此重疊,使得庫珀對可以相干地隧穿通過絕緣層,也就是說超導(dǎo)電流可以無阻地流過隧道結(jié).超導(dǎo)電流Is和絕緣層兩端超導(dǎo)體波函數(shù)相位差φ之間的關(guān)系為

如果結(jié)上有電壓V,則φ隨時間的變化率為

約瑟夫森的理論預(yù)言很快為實驗所證實[6],這一效應(yīng)也就稱之為約瑟夫森效應(yīng).進(jìn)一步的研究顯示約瑟夫森效應(yīng)不但在S-I-S隧道結(jié)上可以觀察到,在其他形式的弱連接結(jié)上也可觀察到.

根據(jù)(1)式和(2)式很容易計算得到一個約瑟夫森結(jié)的耦合能為

另外,也可看出約瑟夫森結(jié)可以看作一個非線性電感,電感值為

自上世紀(jì)60年代約瑟夫森效應(yīng)和磁通量子化現(xiàn)象被實驗所證實以來,基于這兩種現(xiàn)象的超導(dǎo)器件和應(yīng)用不斷出現(xiàn),在許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用.本文介紹的超導(dǎo)量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)是其中一個主要的方面.關(guān)于SQUID的研究已有五十多年的歷史,是一個發(fā)展相對成熟的方向,有很多的綜述文獻(xiàn)和書籍可供參考[7-14].

2 基本原理

SQUID器件通常由包含一個或兩個約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)環(huán)路構(gòu)成.一般稱前者為射頻SQUID(RFSQUID),后者為直流 SQUID(DC-SQUID).當(dāng)穿過SQUID環(huán)路的磁通Φ發(fā)生變化時,SQUID器件的電感(射頻SQUID)或臨界電流(直流SQUID)會發(fā)生相應(yīng)的變化,因此可以用射頻和直流方法分別來探測外界磁通變化的影響.利用磁通耦合器,任何可以轉(zhuǎn)化為穿過SQUID環(huán)路磁通的被測量都可以利用SQUID傳感器來測量.例如,用SQUID可以做成極其靈敏的磁強(qiáng)計或電流傳感器等.屏蔽電流或穿過SQUID超導(dǎo)環(huán)路的磁通使SQUID電壓-磁通或電流-磁通曲線出現(xiàn)周期性振蕩,振蕩的周期就是一個磁通量子Φ0.

圖1是一個DC-SQUID的示意圖.假定流過SQUID的電流是I,超導(dǎo)環(huán)路中的環(huán)流是J,兩個約瑟夫森結(jié)的臨界電流都是Ic0,相位差分別是φ1和φ2.根據(jù)約瑟夫森方程,流過兩個結(jié)的電流滿足如下關(guān)系：

圖1 DC-SQUID 示意圖[7]Fig.1.Schematic drawing of the DC-SQUID configuration[7].

根據(jù)超導(dǎo)環(huán)路量子化關(guān)系(假定超導(dǎo)環(huán)路電感很小,可以忽略)

定義 SQUID 的相位差為φ= (φ1+φ2)/2,根據(jù)(5)式—(7)式可以得到

從方程(8)可以看出,SQUID等效于一個臨界電流可變的約瑟夫森結(jié),臨界電流

隨磁通周期變化.顯然,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是磁通產(chǎn)生的環(huán)流電流使得SQUID環(huán)路兩側(cè)約瑟夫森結(jié)上的相位差不同而引起干涉效應(yīng),這也是這類器件稱為量子干涉器件的原因.Jaklevic等[15]最早在實驗上觀察到這種量子干涉現(xiàn)象.

在大多數(shù)應(yīng)用中,SQUID器件中超導(dǎo)環(huán)路的幾何電感L不能忽略.通常用屏蔽參數(shù)βL=2LIc/Φ0,來描述環(huán)路幾何電感的影響.圖2所示的是不同βL參數(shù)值對應(yīng)的磁通對DC-SQUID器件臨界電流調(diào)制的情況.

圖2 不同屏蔽參數(shù) βL 對應(yīng)的磁通對 DC-SQUID 器件臨界電流調(diào)制的情況[7]Fig.2.Critical current of the DC-SQUID vs.applied flux for 3 values of the screening parameter βL.Junction parameters are assumed to be identical[7].

由于磁通對SQUID臨界電流的調(diào)制,當(dāng)SQUID電流偏置在略大于臨界電流的狀態(tài)時,SQUID兩端的電壓也會受磁場調(diào)制而在最大值和最小值間以Φ0為周期變化.圖3是根據(jù)DC-SQUID的等效電路給出的不同外加磁通Φa下的I-V曲線,以及對應(yīng)的結(jié)上電壓隨磁通變化的情況.其中和約瑟夫森結(jié)并聯(lián)的電容C是結(jié)超導(dǎo)電極和絕緣層形成的電容,電阻R是外加的并聯(lián)電阻或本征的并聯(lián)電阻.合適的R值保證約瑟夫森結(jié)的I-V曲線無回滯.電壓的變化幅度表明了磁通對SQUID電壓的調(diào)制的大小,被稱為電壓調(diào)制深度.而電壓變化與磁通變化之比 ΔV/ΔΦ被稱為 SQUID的傳遞函數(shù).因此,SQUID本質(zhì)上是一個磁通電壓的轉(zhuǎn)換器.

SQUID可以測量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個磁通量子的磁通.但是由于SQUID的環(huán)孔很小,因此對磁場強(qiáng)度的測量并不靈敏.實際應(yīng)用中,一般將SQUID與不同形式的探測線圈耦合起來構(gòu)成SQUID磁強(qiáng)計或梯度計.磁強(qiáng)計和梯度計可以測量很微弱的磁場或磁場梯度信號,因此可以應(yīng)用在很多領(lǐng)域.

除傳統(tǒng)的直流和射頻SQUID器件外,另外一種稱為超導(dǎo)量子干涉濾波器(superconducting quantum interference filter,SQIF)的器件近年也受到很多關(guān)注.這種器件包含許多連接在一起的SQUID構(gòu)成的陣列,其中每個SQUID環(huán)路的大小不一,這樣使得各個SQUID對應(yīng)的磁通電流干涉曲線在零磁通以外的區(qū)域相互抵消,而只在零磁通的區(qū)域出現(xiàn)一個峰.因此,與傳統(tǒng) SQUID 相比,電壓-磁通曲線不再是周期變化的,而是只出現(xiàn)一個峰.這種器件可以用來進(jìn)行磁場絕對值的測量[16].

由于SQUID電壓-磁通曲線是非線性的,通常需要采用反饋電路來得到線性化的輸出,從而實現(xiàn)磁通測量.這樣的基本電路稱為磁通鎖定反饋電路 (flux-locked feedback loop 或 flux-locked loop,FLL).圖4給出了兩種最常用的DC-SQUID讀出電路的示意圖.其中左圖是直接讀出FLL讀出電路,右圖是磁通調(diào)制的FFL讀出電路.雖然前一種讀出電路更加簡單,但是在SQUID發(fā)展的歷史上,卻是第二種磁通調(diào)制讀出電路最早被廣泛使用,因為這種方式工作穩(wěn)定,噪聲低.磁通調(diào)制可以有效地減少DC-SQUID偏置電流噪聲以及前置放大器(Preamplifier)低頻噪聲的影響.而且置于SQUID和前置放大器之間的低溫電壓變壓器可以放大SQUID上的對應(yīng)磁通調(diào)制的交變電壓信號,減少了前置放大器本身噪聲的影響.磁通調(diào)制讀出電路的缺點是電路相對復(fù)雜,工作帶寬受到磁通調(diào)制頻率以及電壓變壓器的限制.一般常規(guī)的磁通調(diào)制讀出電路工作的工作頻率在約100 kHz以內(nèi).通過電路改進(jìn),工作頻率可以提高到幾MHz.隨著多通道SQUID系統(tǒng)的發(fā)展,以及半導(dǎo)體放大器性能的不斷提高,直接讀出FLL電路由于其電路結(jié)構(gòu)簡單、工作帶寬大,而逐漸得到廣泛應(yīng)用.

圖3 DC-SQUID (a)等效電路示意圖； (b)磁通分別為整數(shù)個和半整數(shù)個 Φ0時的 I-V 曲線； (c)電壓-磁通曲線[7]Fig.3.The DC-SQUID： (a) Schematic electric circuit； (b) current-voltage characteristics at integer and half-integer values of applied flux； the operation point is set by the bias current Ib； (c) voltage vs.flux Φa/Φ0 for constant bias current[7].

圖4 DC-SQUID的直接讀出FLL讀出電路(左)和磁通調(diào)制的FFL讀出電路(右)[17]Fig.4.DC-SQUID readout FLL circuit.Basic FLL circuit with direct readout (left) and with flux modulation (right)[17].

針對實際應(yīng)用,人們還發(fā)展出了多種其他形式的讀出電路,可根據(jù)噪聲、動態(tài)范圍、頻率響應(yīng)等方面的要求選取合適的讀出電路[7,14,17].目前利用常規(guī)的半導(dǎo)體讀出電路,可以檢測 10—6Φ0大小的磁通變化.

圖5所示的是RF-SQUID和用于讀出的諧振電路以及前置放大器的等效電路示意圖.前面已經(jīng)提到約瑟夫森結(jié)可看成一個非線性電感.當(dāng)外加磁通變化時,RF-SQUID環(huán)路的電感發(fā)生變化導(dǎo)致與其耦合的諧振電路的諧振頻率和相位等發(fā)生變化.因此可以通過測量諧振電路的輸出電壓來測量RF-SQUID感受的磁通.同樣可以采用磁通鎖定反饋電路來獲得線性化的輸出.需要指出的是,目前絕大多數(shù)應(yīng)用都采用DC-SQUID作為探測器件.低溫超導(dǎo)RF-SQUID應(yīng)用方面的報道較少,高溫超導(dǎo)RF-SQUID有可能在一些方面得到應(yīng)用.

圖5 RF-SQUID和用于讀出的諧振電路以及前置放大器的等效電路示意圖[7]Fig.5.Schematic representation of the RF-SQUID,with tank circuit and preamplifier[7].

3 噪聲特性

SQUID器件本身的噪聲主要分為三種： 分路電阻上的熱漲落噪聲(Johnson噪聲)、散粒噪聲和1/f噪聲.其中熱漲落噪聲是由于電子的熱運動產(chǎn)生的在分路電阻兩端的噪聲電壓.散粒噪聲是由于電流中運動電子數(shù)目的起伏導(dǎo)致的噪聲電流.

散粒噪聲和熱漲落噪聲都與頻率無關(guān),被稱為白噪聲.一般散粒噪聲只有在電流很小時才能表現(xiàn)出來,對于高溫超導(dǎo)器件來說,熱漲落噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于散粒噪聲的影響,因此一般不考慮散粒噪聲的影響.

1/f噪聲的方均噪聲電壓頻譜密度與頻率的倒數(shù)成正比,因此被稱為1/f噪聲.1/f噪聲起源還不完全清楚,但有兩個來源可以確定： 一是臨界電流和結(jié)電阻的漲落,二是源于薄膜中被釘扎的磁通的運動.第一種來源的1/f噪聲可以通過磁通調(diào)制和偏置電流反轉(zhuǎn)技術(shù)來抑制[7,17].抑制第二種噪聲需要采用高質(zhì)量的超導(dǎo)薄膜和對SQUID進(jìn)行特殊的設(shè)計來減少磁通釘扎.一種常用的方法是將器件中超導(dǎo)薄膜部分制備成網(wǎng)格狀,使磁通局限在網(wǎng)格的孔中[18].

如果要用SQUID測量磁通,熱噪聲的能量必須遠(yuǎn)小于磁通的能量,否則被測量的磁通信號就會被熱噪聲掩蓋.這樣就對SQUID的電感有限制,不能太大.通常在SQUID設(shè)計時,會考慮工作溫度和屏蔽參數(shù)βL～1等條件,再根據(jù)約瑟夫森結(jié)無回滯條件βC＜ 1來確定SQUID電感、結(jié)的臨界電流和正常態(tài)電阻等參數(shù),以使SQUID處于最佳的工作狀態(tài)[7,19].

對低溫SQUID磁強(qiáng)計，白噪聲頻率區(qū)域典型的磁場噪聲水平為幾個fT/Hz1/2.高溫超導(dǎo)SQUID磁強(qiáng)計的噪聲水平變化比較大,受工藝參數(shù)的影響明顯.高質(zhì)量器件白噪聲區(qū)間的噪聲可以低于50 fT/Hz1/2.此外,高溫 SQUID 磁強(qiáng)計的 1/f噪聲比低溫器件顯著大,因此低頻噪聲增加較多.采用偏置電流反轉(zhuǎn)的方式可以減小由于結(jié)的臨界電流漲落導(dǎo)致的1/f噪聲.

原則上,高溫超導(dǎo)SQUID器件工作在77K,相比于工作在液氦溫度的低溫SQUID器件,熱噪聲大了約20倍,因此高溫超導(dǎo)SQUID器件呈現(xiàn)出高的噪聲水平似乎也不奇怪.但是根據(jù)SQUID噪聲的理論分析,磁通白噪聲與SQUID電感L,結(jié)電容C等有如下關(guān)系：

這里βC= 2πICRn2C≈ 0.4是 約 瑟 夫 森 結(jié)的Stewart-McCumber參數(shù).高溫超導(dǎo)結(jié)的βC參數(shù)基本不隨結(jié)的大小變化,而低溫結(jié)中正常態(tài)電阻Rn通常由外加并聯(lián)電阻決定,因此SΦ與結(jié)電容C無關(guān).基于這些考慮,由于高溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的電容很小,因此高溫超導(dǎo)SQUID器件仍然可以實現(xiàn)低的噪聲[20].需要注意的是,上述討論不適用于凍結(jié)磁通跳躍、結(jié)區(qū)載流子俘獲釋放過程以及器件線路中寄生的弱連接等引起的噪聲,而這些常常是影響高溫超導(dǎo)SQUID噪聲性能的主要因素.為了獲得性能良好的器件,需要生長高質(zhì)量的高溫超導(dǎo)薄膜,薄膜要均勻外延、單一取向、致密且孔洞少.

4 低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo) SQUID

根據(jù)所采用的超導(dǎo)材料,SQUID器件大致可分為低溫超導(dǎo)SQUID器件和高溫超導(dǎo)SQUID器件.本節(jié)將從幾個方面比較低溫和高溫超導(dǎo)SQUID器件.

材料在具體的超導(dǎo)材料方面,雖然在早期采用不同材料來制備SQUID器件,但自上世紀(jì)80年代以后,低溫SQUID器件一般都用超導(dǎo)金屬鈮,采用薄膜平面工藝制備.鈮是難熔金屬,機(jī)械性能好,用鈮薄膜制備的約瑟夫森結(jié)非常穩(wěn)定.高溫超導(dǎo)SQUID器件一般采用YBCO/ReBCO超導(dǎo)薄膜制備.

工作溫區(qū)低溫超導(dǎo)SQUID器件一般工作在 4.2 K,用液氦冷卻.高溫超導(dǎo) SQUID 器件則工作在77 K,用液氮冷卻.人們也在研究利用基于小型制冷機(jī)的恒溫器來冷卻SQUID器件,這樣可以方便應(yīng)用,但面臨如何有效抑制制冷機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾的困難.

器件制備SQUID器件中的關(guān)鍵是約瑟夫森結(jié),低溫超導(dǎo)SQUID器件中的約瑟夫森結(jié)為Nb/AlOx/Nb三層結(jié)構(gòu).其中鋁在鈮表面浸潤性好,可以很好地覆蓋在鈮膜的表面,絕緣層的厚度可以通過控制鋁氧化過程的氧分壓和時間來很好地控制.器件制備中可以通過選用合適的刻蝕氣體對鈮選擇性刻蝕[21].由于工藝成熟,器件的參數(shù)控制比較容易,器件的參數(shù)一致性和良率都能夠得到較好保證.

與之相比,高溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的制備就要困難得多.這主要歸咎于材料復(fù)雜的化學(xué)和結(jié)構(gòu)特性、非常短的相干長度、對氧含量敏感等原因,導(dǎo)致薄膜質(zhì)量難以控制、平整度和均勻性不好,很難在高溫超導(dǎo)薄膜上制備非常薄的絕緣層.因此尚沒有利用高溫超導(dǎo)薄膜制作三層結(jié)構(gòu)的約瑟夫森結(jié)的方法.早期高溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)主要有雙晶結(jié)、臺階結(jié)、臺階SNS結(jié)（即超導(dǎo)-正常金屬-超導(dǎo)結(jié)）以及斜邊結(jié)等形式[22,23],如圖6所示.

利用不同取向的晶界形成的弱連接稱為晶界結(jié).雙晶結(jié)是將基片定向后,將兩片不同取向的基片對齊后重新生長在一起,形成雙晶基片.在雙晶基片上外延生長高溫超導(dǎo)薄膜,由于薄膜取向與基片取向一致,便在晶界處形成雙晶結(jié).雙晶結(jié)的臨界電流密度隨雙晶取向間的夾角增加而指數(shù)減小[24].通常采用 24°,45°和 36°的雙晶基片制作SQUID.用雙晶結(jié)制備的SQUID器件通常有較好的噪聲特性,但缺點是需要雙晶基片,成本高而且結(jié)的位置不能任意選擇.

圖6 幾種常見的高溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié) (a)雙晶結(jié)； (b)臺階結(jié)； (c)臺階 SNS 結(jié)； (d)斜邊結(jié)[22]Fig.6.Schematic drawing of four types of HTS Josephson junctions used in SQUIDs： (a)[21].

臺階結(jié)是在基片上合適位置刻蝕出一個較緩的臺階,再在基片上外延生長超導(dǎo)薄膜,在臺階處形成弱連接.由于薄膜在臺階斜坡上的生長取向和基片上不同,臺階處的弱連接實際上也是晶界結(jié).臺階結(jié)的優(yōu)點是可以在基片的任何位置刻蝕臺階,制備工藝相對簡單.但是臺階結(jié)的質(zhì)量依賴于臺階的微觀結(jié)構(gòu),因此器件性能可重復(fù)性不是很好.不過,近十多年里,隨著工藝的不斷改進(jìn),MgO 基片上臺階結(jié)的質(zhì)量一直在提高,器件制備的一致性有較大提高[25].德國Juelich研究中心的研究人員利用MgO基片臺階結(jié)獲得了白噪聲水平達(dá)到約5 fT/Hz1/2的高溫超導(dǎo)直流 SQUID器件,并利用該器件成功檢測出人體腦磁信號[20](圖7).

臺階SNS結(jié)是利用光刻和Ar離子刻蝕的方法在基片上刻出一個很陡的臺階.然后在基片上生長超導(dǎo)薄膜,由于臺階邊緣很陡,在邊緣處沒有超導(dǎo)薄膜.再鍍上一層Ag或Au膜覆蓋在臺階邊緣，形成SNS結(jié).這種結(jié)的正常態(tài)電壓IcRn在77 K可以做到1 mV,然而其輸運和噪聲性質(zhì)均不理想.

圖7 MgO襯底上45°臺階上生長的YBCO薄膜的掃描電鏡(SEM)圖像(左圖)和高分辨透射電鏡HRTEM圖像(中圖).右圖：一個16 mm大小、采用臺階結(jié)的高溫超導(dǎo)DC-SQUID磁強(qiáng)計在超導(dǎo)屏蔽環(huán)境下測量的噪聲譜[20]Fig.7.SEM image (left) and HRTEM image (middle) of an YBCO film deposited on a double-layer-buffered 45° step on an MgO substrate.A 45° [100]-tilted GB is clearly shown.Right： Noise spectral density of a 16 mm high-Tc DC-SQUID magnetometer with step-edge junctions measured in a superconducting shield[20].

斜邊結(jié)是先在基片上生長一層超導(dǎo)薄膜和絕緣層,再刻蝕出一個斜邊,然后沉積一層阻擋層和頂電極.優(yōu)點是由于頂電極的屏蔽作用使得其抗干擾能力強(qiáng),具有熱循環(huán)穩(wěn)定性.日本的研究人員在2000年前后,投入了較大的力量研究斜邊結(jié),采用SrSnO3/La-YBa2Cu3O7/SrSnO3/La-YBa2Cu3O7多層結(jié)構(gòu).約瑟夫森結(jié)的臨界電流偏差分布可以在8%以內(nèi)[26].

除了上述的四種方法外,人們還采用離子輻照的方式來制備高溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié),并制備約瑟夫森結(jié)和SQUID器件[27].由于高溫超導(dǎo)材料對氧的含量很敏感,利用幾十到幾百keV的氦、氖、氮甚至氧等輕元素離子可以有效地在高溫超導(dǎo)體中形成氧錯位和空位等缺陷,使得材料中受輻照區(qū)域變成非超導(dǎo)的.最近的研究顯示,利用氬離子輻照在狹縫區(qū)域局部去除超導(dǎo)材料形成溝槽型弱連接,SQUID器件的噪聲水平可以達(dá)到63 fT/Hz1/2,與雙晶結(jié)SQUID相當(dāng)[28].利用有納米尺度狹縫的金屬掩模進(jìn)行局部輻照的方式,可以根據(jù)需要在指定位置制備出約瑟夫森結(jié).此外,近年來隨著聚焦離子束技術(shù)的發(fā)展,利用聚焦氦離子直接局部轟擊可以有效形成約瑟夫森結(jié)[29,30].

磁通變換器為了獲得高的磁場靈敏度,SQUID通常需要通過磁通變換器和一個更大面積的探測線圈耦合.對低溫超導(dǎo)SQUID,可以用低溫超導(dǎo)線繞制探測線圈,也可以利用薄膜制成單圈或多圈平面探測線圈.探測線圈可以是一階或二階梯度計的形式,便于減少環(huán)境干擾.磁通變換器一般做成平面多圈形式,置于SQUID環(huán)孔上(圖8).

對高溫超導(dǎo)SQUID,繞制探測線圈和利用多層薄膜技術(shù)制備具有良好超導(dǎo)連接的多圈磁通變換器很困難.目前還沒有柔性且易于形成超導(dǎo)連接的高溫超導(dǎo)線,因此很難繞制探測線圈.另外,高溫超導(dǎo)薄膜材料需要在結(jié)晶性好的取向基底上才能很好地外延生長,要制備類似圖8所示的多圈磁通變換器比較困難,工藝難度大.國際上只有少數(shù)研究組能夠制備出,器件良率不易提高.因此,高溫SQUID磁強(qiáng)計多采用探測線圈與SQUID回路直接耦合的方式,或者采用倒扣的方式將探測線圈和SQUID耦合.

圖8 (a)一個方形線圈 DC-SQUID 器件的顯微鏡照片,上有15圈輸入線圈(即磁通變換器)； (b) 狹縫左側(cè)末端的放大圖.從圖中可以看見結(jié)區(qū)和并聯(lián)電阻[7]Fig.8.(a) Square-washer DC-SQUID with overlaid 15-turn input coil； (b) expanded view of the left-hand end of the slit showing the junction on each side of the slit,and the resistive shunts[7].

應(yīng)用有關(guān)SQUID器件應(yīng)用更加詳細(xì)的介紹將在下一節(jié)中給出.這里只是簡短地對比一下低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)SQUID器件在實際應(yīng)用場景中的區(qū)別.經(jīng)過50多年的發(fā)展,SQUID器件的應(yīng)用研究已經(jīng)延伸到許多領(lǐng)域.原則上在絕大部分應(yīng)用中,既可以使用低溫超導(dǎo)SQUID器件,也可以使用高溫超導(dǎo)SQUID器件.而且,高溫超導(dǎo)器件可以用廉價和容易獲得的液氮冷卻,易于應(yīng)用推廣.因此,高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以來,高溫超導(dǎo)SQUID器件的制備和應(yīng)用研究一直是一個重要的研究方向,經(jīng)過30多年的努力,器件的性能也一直在不斷提升中,報道的最好指標(biāo)與商用低溫超導(dǎo)SQUID器件的指標(biāo)已經(jīng)比較接近了.但是高性能器件的批量化產(chǎn)出則較多地受到參數(shù)的一致性、良率和較高成本的影響.目前,在僅需要單個或少量SQUID器件的一些應(yīng)用中,已經(jīng)使用高溫超導(dǎo)SQUID器件.而在需要大批量SQUID器件的系統(tǒng)中,如腦磁圖測量系統(tǒng),基本上還是使用低溫超導(dǎo)SQUID器件.

5 SQUID 應(yīng)用

自上世紀(jì)60年代SQUID出現(xiàn)以來,SQUID的應(yīng)用研究一直在不斷地持續(xù)開展.SQUID器件具有以下特點： 1)接近量子極限的磁探測靈敏度,可以探測低至 10—15T/Hz1/2的磁場信號； 2)具有很寬的頻響特性,由于超導(dǎo)體對磁場而非磁場的變化率產(chǎn)生響應(yīng),SQUID器件可以探測直流到GHz的信號,通常測試系統(tǒng)的頻響受讀出電路的限制,一般可達(dá) 10—100 MHz 量級； 3)很大的動態(tài)范圍,SQUID器件的動態(tài)范圍很容易達(dá)到130 dB水平,磁信號幅度變化 6—7個量級不會影響系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性； 4)很高的線性響應(yīng)特性.由于這些特點,幾十年來,SQUID器件的應(yīng)用研究已經(jīng)涉及到醫(yī)學(xué)科學(xué)、科學(xué)儀器、地球物探、工業(yè)無損檢測以及精密測量等許多領(lǐng)域.關(guān)于已有的SQUID應(yīng)用領(lǐng)域可以參考相關(guān)文獻(xiàn)[8,10].

5.1 生物磁探測

生物體內(nèi)血液和神經(jīng)中離子流動會產(chǎn)生非常微弱的磁信號.利用SQUID的高靈敏磁探測能力,可以對人體或其他生物體內(nèi)不同器官和組織產(chǎn)生的微弱磁信號進(jìn)行無創(chuàng)無接觸檢測,在疾病檢測和醫(yī)學(xué)研究中極具應(yīng)用前景.上世紀(jì)70年代起,就已經(jīng)開始相關(guān)應(yīng)用研究,首先是心臟圖和腦磁圖的測量,后來也拓展到身體其他部位,如肺、腸、胃、脊椎和胎兒等的磁信號[11].由于生物磁探測在醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景,相關(guān)研究是目前SQUID應(yīng)用研究領(lǐng)域最大的一個分支.

5.1.1 腦磁信號探測

大腦神經(jīng)活動產(chǎn)生的磁場信號可為研究大腦的行為、腦部疾病產(chǎn)生的原因和確定病灶等提供非常有用的信息,在腦科學(xué)和腦疾病研究中越來越受到重視[31].腦磁圖 (magnetoencephalography,MEG)系統(tǒng)大多采用多路信號探測器,收集大腦外表皮各處的磁信號.MEG與研究大腦行為常用的腦電圖(EEG)和腦部功能磁共振成像系統(tǒng)相比,各有優(yōu)缺點,作用具有互補性.與腦電圖相比,腦磁圖測量具有無接觸無創(chuàng)的優(yōu)勢,而且磁信號和電信號是很好的互補.與磁共振成像相比,MEG雖然不能提供組織的成像,但具有毫秒量級的時間分辨,可以獲得快速的時域響應(yīng)信息.

人的腦磁信號幅度約在1—2 pT的范圍,MEG測量需要fT的磁場分辨率.因此,SQUID器件非常合適于MEG應(yīng)用.目前SQUID器件是MEG系統(tǒng)中采用最廣泛的探測器件,這一領(lǐng)域也是SQUID最大的應(yīng)用領(lǐng)域[12].1993年,第一臺多通道全頭型MEG的出現(xiàn),標(biāo)志著MEG醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用研究的開始.據(jù)估計,目前約有250臺腦磁圖商業(yè)系統(tǒng)分布在世界各地,主要集中在發(fā)達(dá)國家.這些系統(tǒng)包含總計約50000個SQUID器件.

利用MEG,頭部重要功能皮質(zhì)區(qū)(eloquent cortex)產(chǎn)生的誘發(fā)場、腦震蕩源和癲癇活動可以在一次檢測中確定,也可以研究大腦兩個半球之間的相互作用[32].二十多年來MEG的研究內(nèi)容也在不斷演變和深入,從感知、處理、分析大腦不同區(qū)域的功能連通性,到諸如嬰兒期到成年期的大腦發(fā)育相關(guān)問題研究等[31].目前,癲癇患者的手術(shù)前評估,腦腫瘤患者雄辯皮質(zhì)的鑒定或血管畸形已被公認(rèn)為臨床MEG研究的適應(yīng)癥[33].

由于MEG具有很好的時間分辨性和一定的空間分辨率,在研究大腦重要功能皮質(zhì)層不同區(qū)域的功能和彼此之間的連接性方面能夠發(fā)揮重要作用,因此MEG在注意、記憶等認(rèn)知功能和神經(jīng)紊亂性疾病等腦科學(xué)和腦疾病的研究、診斷以及治療療效跟蹤和評估等方面可發(fā)揮重要作用.圖9是SQUID腦磁測量裝置以及研究視覺感知與腦磁信號關(guān)系的示意圖和一些結(jié)果.

全球有數(shù)億人患有癲癇、中風(fēng)、阿爾茲海默及抑郁癥等與大腦相關(guān)的疾病,形成巨大的社會負(fù)擔(dān).通過早期的準(zhǔn)確檢測和診斷方式改進(jìn),可以早發(fā)現(xiàn)早治療，從而有可能減少這些疾病造成的損害和負(fù)擔(dān).因此,隨著SQUID腦磁系統(tǒng)的不斷改善和技術(shù)的進(jìn)步,SQUID的潛在需求有可能增加十倍甚至一百倍.

圖9 左圖： 利用 MEG 信號進(jìn)行雙穩(wěn)視覺感知研究.右圖： 一個 SQUID 腦磁測量系統(tǒng)[11]Fig.9.Left： MEG study of bistable visual perception using a frequency-tagged stimulus； Right：A SQUID MEG system[11].

SQUID-MEG系統(tǒng)的進(jìn)一步廣泛推廣應(yīng)用需至少在以下兩方面做大量工作.首先是大量臨床研究數(shù)據(jù)的積累和分析,以期建立更多腦磁信號與特定腦功能或腦疾病之間的對應(yīng)關(guān)系,以便臨床應(yīng)用；此外還需在提高測量腦磁信號的信噪比、降低制造和使用成本等方面做出不斷的改進(jìn).其中制造成本在一定程度上可以隨著需求的增加而降低.目前的SQUID-MEG系統(tǒng)采用工作在液氦溫度的低溫超導(dǎo)SQUID器件,液氦的使用是使用成本高的重要原因.近年來,人們已經(jīng)研發(fā)了利用小型制冷機(jī)重新液化揮發(fā)氦氣的閉路恒溫器[34],這樣可以減少液氦消耗和補充方面的成本.

使用液氦的另一個缺點是低溫恒溫器的存在使得SQUID探測器和信號源之間的距離(典型值約為30 mm)變大了,既減少了信號強(qiáng)度又降低了空間分辨率.近年來,隨著高溫超導(dǎo)SQUID器件性能的不斷提高,利用高溫SQUID構(gòu)建MEG系統(tǒng)的研發(fā)工作受到更多關(guān)注[20,35].由于工作在液氮溫區(qū),低溫恒溫器壁厚可大大減小到幾毫米甚至 1 mm.這樣,高溫超導(dǎo) SQUID 器件可以更加接近大腦表皮,提升空間分辨率,同時又增加了信號強(qiáng)度.

SQUID器件在MEG中的應(yīng)用也面臨其他技術(shù)的競爭.高靈敏原子磁強(qiáng)計可以具有與SQUID器件相當(dāng)?shù)拇艌鲮`敏度,基于這種器件的MEG系統(tǒng)正在發(fā)展中.其最大的優(yōu)勢是不需要低溫系統(tǒng),可望顯著降低運行成本.系統(tǒng)重量也可大大減少,探測頭盔可以做成穿戴式.此外,器件可以更加靠近大腦表皮,獲得更好的空間分辨率[36,37].但是原子磁強(qiáng)計工作在標(biāo)量模式,無方向分辨.而且其頻率響應(yīng)范圍小,只能工作在約30 Hz以下的頻率范圍,動 態(tài) 范 圍 也 不 大.由 于 這 些 原 因 ,未 來 的MEG可能是兩種探測器并存,根據(jù)應(yīng)用需求的不同而決定采用原子磁強(qiáng)計還是SQUID器件.

5.1.2 心磁信號探測

心臟的電生理活動產(chǎn)生的磁場信號可以用SQUID器件進(jìn)行探測.采用多路探測系統(tǒng),可以獲得胸部心磁信號的分布,構(gòu)成二維心磁圖(magnetocardiography,MCG).心磁信號的幅度約 100 pT,測量MCG一般需要0.1—1 pT的磁場分辨率.

由于心磁信號幅度比腦磁信號大約兩個量級,檢測的技術(shù)難度相對較低.人們預(yù)計心磁圖可作為目前臨床普遍使用的心電圖的補充,有望在一些致命性心臟疾病的早期診斷中發(fā)揮作用.全球心臟疾病患者的數(shù)目非常龐大,據(jù)統(tǒng)計,我國冠心病患者約有1000萬人,而且每年有大量的新增病人.現(xiàn)在臨床廣泛應(yīng)用的心電圖仍有局限性,它不能反映所有心臟病變.尤其是心電圖對可能引起心肌梗死的冠心病的漏診率約有40%,因此迫切需要其他的快速方便的檢測手段.在這樣的情況下,心磁圖有可能成為一種很好的預(yù)先診斷心臟猝死的補充手段.

目前國際上已有一些公司推出了商業(yè)化產(chǎn)品.日本Tsukuba大學(xué)醫(yī)院利用一臺64通道的心磁系統(tǒng),在近十年的時間,對10000多位病人進(jìn)行了心磁圖測量,結(jié)果清楚表明心磁圖可以給出比心電圖更多的信息[38].

國內(nèi)包括北京阜外醫(yī)院、天津泰達(dá)國際心血管醫(yī)院以及上海第六人民醫(yī)院等也先后開展了相關(guān)臨床研究.北京大學(xué)以及中科院物理所分別研制了基于高溫超導(dǎo)SQUID器件的心磁測量試驗系統(tǒng),中科院上海微系統(tǒng)所研制了多通道的低溫SQUID心磁系統(tǒng).

目前限制SQUID心磁圖系統(tǒng)廣泛推廣使用的主要原因一是建造和使用成本,二是缺乏建立在大量數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上的具有明確醫(yī)學(xué)意義的心磁圖結(jié)果與各種心臟疾病的對應(yīng)關(guān)系.高溫超導(dǎo)SQUID器件的靈敏度能較好地滿足心磁測量,主要的挑戰(zhàn)是提高器件制備工藝的可靠性和良率,以便用于多通道心磁測量系統(tǒng).

5.2 其他生物醫(yī)學(xué)醫(yī)用

除上述的腦磁和心磁等生物磁測量應(yīng)用外,SQUID弱磁檢測在生物醫(yī)學(xué)中還有一些其他應(yīng)用.例如,用SQUID追蹤檢測包附有生物功能基團(tuán)磁性納米粒子的SQUID免疫測定[39],和用SQUID作為探測器的超低磁場核磁共振和成像等[11].由于SQUID具有高靈敏度,SQUID免疫測定可檢測到極少量的病原.超低磁場磁共振成像中,具有不同自旋晶格弛豫時間生物組織的成像對比度更大,有可能便于區(qū)分病變組織.因此,這兩方面的應(yīng)用將有可能在諸如癌癥和腫瘤組織的早期檢測領(lǐng)域發(fā)揮作用.

包附有生物功能基團(tuán)的磁性納米粒子的追蹤檢測是生物醫(yī)學(xué)上常用的方法之一.免疫測定在生物和醫(yī)學(xué)中廣泛用于復(fù)雜試樣如血液中的被分析物含量的確定.它通過抗原與相應(yīng)抗體之間的特定結(jié)合,確定試樣中是否存在某種特定的抗原及其含量.隨著納米材料的發(fā)展,利用磁性納米粒子作為生物標(biāo)記進(jìn)行免疫測定的技術(shù)得到發(fā)展.利用納米磁性粒子作為標(biāo)記并再利用SQUID所具有的非常高的磁測量靈敏度,可以測定出已有方法不能測到的微量抗原.磁性納米粒子具有穩(wěn)定性好、無毒、可以通過磁場進(jìn)行操控的特點.實驗中通過測量磁性粒子磁矩的變化,可以定量地確定待測試樣中抗原的含量.這種方法還避免了已有方法中需要洗去未結(jié)合抗體的步驟,使得測定過程更加簡單方便.因此,這種方法對于生物和醫(yī)學(xué)研究以及更進(jìn)一步的臨床診斷都具有重要的意義.

檢測的方式有弛豫時間、交流共振和剩余磁場檢測等幾種方式[39].有研究報道顯示,利用SQUID和有特定生物功能集團(tuán)的磁性標(biāo)記,可以從血液中區(qū)分檢測出早期奧茲海默癥對應(yīng)的Aβ1—42蛋白[40].

這方面的研究大多采用高溫超導(dǎo)SQUID,應(yīng)用的推廣需要研制針對各種適應(yīng)檢測的磁性標(biāo)示物.

磁共振成像(MRI)是超導(dǎo)技術(shù)最廣泛的商業(yè)應(yīng)用,已經(jīng)成為臨床醫(yī)學(xué)檢測和研究不可或缺的工具.雖然目前磁共振成像技術(shù)發(fā)展的大趨勢是更高磁場,但在過去二十多年中,人們也一直探索在超低磁場環(huán)境下的核磁共振譜和磁共振成像技術(shù),以期開發(fā)出新的應(yīng)用.與常規(guī)高場磁共振成像系統(tǒng)相比較,超低磁場磁共振成像(ULF-MRI)可以獲得更好的自旋晶格弛豫時間T1對比度,這有可能在腫瘤以及其他檢測中發(fā)揮作用[41-43].超低磁場核磁成像系統(tǒng)的磁場一般在100 μT的量級,這樣的系統(tǒng)簡單輕便,便于移動.為了補償由于磁場降低而導(dǎo)致的信號大幅降低,一般采用施加預(yù)極化磁場和采用靈敏的SQUID探測器的方式來提升信噪比.已有的研究顯示,在如此低的磁場下不但可以得到人體組織成像,而且一系列腫瘤組織的體外測量也表明有可能區(qū)分腫瘤和正常組織[44].

對于實際應(yīng)用而言,最主要的挑戰(zhàn)是如何減少系統(tǒng)中的各種噪聲,提升整體探測靈敏度.預(yù)計,基于SQUID探測器的超低磁場核磁共振和成像系統(tǒng)有可能在腫瘤組織、腦部受損組織、阿爾茲海默癥的檢測等方面獲得應(yīng)用.

由于ULF-MRI和MEG都采用SQUID器件作為探測器,可以將兩種檢測技術(shù)集成起來.這樣,將有可能集合MEG測量時間分辨性高和MRI空間分辨率好的優(yōu)點,有助于腦磁信號的定位和源的重構(gòu),以及獲得神經(jīng)電流的分布圖等[45].圖10給出了在兩個不同MEG-MRI集成實驗系統(tǒng)上測量的結(jié)果.其中圖10(a)和圖10(b)分別給出在一個MEG-MRI集成系統(tǒng)上和一個常規(guī)的先進(jìn)的MEG上測量得到的腦磁信號結(jié)果,數(shù)據(jù)是視覺誘發(fā)反應(yīng)產(chǎn)生的等效偶極和磁場分布.兩組結(jié)果是在同樣的視覺激勵方式下得到的.圖10(c)和圖10(d)則分別給出同一個測試樣本在另一個MEG-MRI集成系統(tǒng)得到的96 μT磁場下的ULF-MRI切片圖和一個常規(guī)3T的MRI切片圖.其中ULF-MRI系統(tǒng)也測量聽覺反應(yīng)產(chǎn)生的腦磁信號,相應(yīng)的偶極子的位置和方向在圖10(c)中標(biāo)出.

圖10 (a) 在 MEG-MRI集成實驗系統(tǒng)上測量的以及 (b)同樣刺激在最先進(jìn)的MEG系統(tǒng)上得到的視覺誘發(fā)反應(yīng)產(chǎn)生的等效偶極和磁場分布； (c)用另一個MEG-MRI集成實驗系統(tǒng)在96 μT磁場下得到的超低磁場MRI切片圖和記錄的聽覺反應(yīng)腦磁信號對應(yīng)的偶極子； (d)常規(guī)3 T磁場下同一個樣本的切片圖[11]Fig.10.Equivalent dipoles and field patterns of the visually evoked responses using (a) the MEG—MRI system and(b) state-of-the-art MEG with the same stimulus protocol.MRI slices (c) at 96 μT,with the registered equivalent dipole of the auditory response overlaid,and (d) from an uncoregistered 3 T image acquired separately from the same subject[11].

5.3 地球物理應(yīng)用

SQUID器件的高靈敏性和很好的低頻特征非常適合于地球物理方面的應(yīng)用,用以探測微弱的地球磁場變化或激勵的響應(yīng)信號.自SQUID出現(xiàn)以來,已經(jīng)在多種場合開展過示范應(yīng)用,一些商業(yè)化設(shè)備也已經(jīng)出現(xiàn)[46-49].這方面的應(yīng)用大致可分為被動型和主動型兩類.在被動型探測中,SQUID器件磁強(qiáng)計或梯度計直接探測掃描區(qū)域內(nèi)微弱的地磁場變化,發(fā)現(xiàn)磁異常區(qū)域.這些磁異常通常與各種金屬礦或其他導(dǎo)電型礦有關(guān).這類應(yīng)用中,通常采用梯度計構(gòu)型,或者利用多個梯度計進(jìn)行磁場分布的全張量測量.

在主動型探測中,通過測量在地表發(fā)射的激勵脈沖電磁信號的響應(yīng),可以得到地表下不同深度的信息.SQUID器件的靈敏性和低頻特性有助于獲得常規(guī)感應(yīng)式探測線圈所不能得到的深部信息.

當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,對各種礦產(chǎn)資源的需求十分旺盛,但是我國地下礦產(chǎn)探測主要局限在淺層 (＜ 800 m),遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的水平 (約 2000 m),深層資源的探測急需開展.高靈敏度的SQUID磁探測系統(tǒng)對深層地質(zhì)構(gòu)造的磁探測能力獨特,遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)感應(yīng)線圈式的探頭,具有較大優(yōu)勢,將在探尋深層資源方面發(fā)揮重要作用.國內(nèi)相關(guān)單位近年來也加強(qiáng)了相關(guān)方面的研究,在器件制備、系統(tǒng)集成和實地應(yīng)用研究方面都取得了顯著進(jìn)展.

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所成功研制出國際第二套航空低溫超導(dǎo)全張量磁梯度探測系統(tǒng)[50],并進(jìn)行了多次野外飛行測量,得到了航空超導(dǎo)全張量磁梯度分布圖.此外,研制的用于瞬變電磁(TEM)探測超導(dǎo) SQUID 系統(tǒng),噪聲為 7 fT,動態(tài)范圍達(dá) 160 dB[51].在實際應(yīng)用中,多地實際反演深度大于 2000 m.先后成功探到鉛鋅礦,并在云南、內(nèi)蒙等常規(guī)技術(shù)疑難礦區(qū)獲得突破,探測結(jié)果得到鉆井資料的驗證.圖11是超導(dǎo)瞬變電磁探礦系統(tǒng)和在內(nèi)蒙古四子王旗實地測量結(jié)果,數(shù)據(jù)的反演結(jié)果中超過2000 m的低阻區(qū)域能夠清楚地顯示出來.

SQUID器件在地球物理探測中的應(yīng)用技術(shù)還可應(yīng)用于其他許多場合,只要有局部的磁或磁響應(yīng)異常,包括軍事上的潛艇探測、地下溶洞探測、發(fā)現(xiàn)考古遺址以及戰(zhàn)爭遺留的未爆炸武器等[52].

圖11 超導(dǎo)瞬變電磁探礦系統(tǒng) (左圖),與野外探測結(jié)果 (右圖)Fig.11.SQUID TEM system (left) and field detection results (right).

對于野外的現(xiàn)場測試,使用液氮冷卻的高溫SQUID器件更加方便.但是由于高溫超導(dǎo)SQUID器件的可靠性差,更容易受到環(huán)境干擾的影響,比較成熟的系統(tǒng)中還是主要采用低溫超導(dǎo)SQUID器件.近年來,受液氦供應(yīng)短缺的影響,低溫 SQUID地球物理探測方面的應(yīng)用受到較大影響[53].

5.4 科學(xué)儀器中的應(yīng)用

SQUID器件在各種科學(xué)儀器和科學(xué)研究領(lǐng)域中都有很多的應(yīng)用.目前廣泛用于材料磁性測量和表征的美國Quantum Design公司的磁性質(zhì)測量系統(tǒng) (magnetic properties measurement system,MPMS)產(chǎn)品是一種大家熟悉的使用SQUID的科學(xué)儀器.該類系統(tǒng)中,一個SQUID器件與超導(dǎo)線繞成的二階梯度線圈構(gòu)成的二階梯度計用于測量樣品的磁信號.

在各種大型天文望遠(yuǎn)鏡中,用于測量深空各種波段電磁輻射信號的探測器大多用到諸如超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊沿探測器(TES)、磁性微型量熱器(MMC)、以及熱電子熱輻射器(HEB)等器件陣列,SQUID作為靈敏的探測器用于探測這些器件的微小電流變化[54].由于陣列中器件數(shù)目龐大,需要大量SQUID讀出電路,人們發(fā)展了多種包括時分、碼分和頻分方式的多路復(fù)用方案[55].此外,基于SQUID的低溫射頻放大器可具有接近量子極限的噪聲水平,在諸如暗物質(zhì)探測等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域中也扮演著重要的角色,可望將探測效率提升2—3個量級[56,57].

掃描SQUID顯微鏡是結(jié)合SQUID和掃描探測技術(shù)發(fā)展起來的高靈敏度微區(qū)磁信號探測儀器.掃描SQUID主要應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)、納米材料科學(xué)、工業(yè)無損檢測和分子生物技術(shù)等研究領(lǐng)域.IBM實驗室的研究人員利用掃描SQUID顯微鏡證實了高溫超導(dǎo)體具有d波配對性,大大推動了高溫超導(dǎo)機(jī)理的研究[58].半導(dǎo)體芯片中納米量級芯片導(dǎo)線的無損檢測也是掃描SQUID顯微鏡的一個可能應(yīng)用.目前在市場上已有掃描SQUID顯微鏡的產(chǎn)品.

為了提高掃描SQUID的空間分辨率,以色列Weizmann科學(xué)研究所的一個研究組發(fā)展了一種很有創(chuàng)意的稱為SQUID-on-Tip的方案.他們將石英管拉成直徑約100 nm的空心細(xì)管,在尖端做成針尖Nano-SQUID,獲得了低于100 nm的空間分辨率,可測量單個電子自旋.而且，他們利用SQUID臨界電流隨溫度的變化,實現(xiàn)了好于1 μK的局部溫度測量.他們用該系統(tǒng)研究了超導(dǎo)薄膜中磁通線的動力學(xué)行為(圖12),以及多種量子物態(tài)的局部耗散機(jī)制[59,60].

5.5 工業(yè)無損檢測

無損檢測在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制、設(shè)備運行的可靠性保障、材料服役性能的評估等各個領(lǐng)域具有重要的地位.隨著人們對質(zhì)量和可靠性要求的提高,無損檢測技術(shù)越來越受到重視,新的檢測方法和手段也在不斷地研究和發(fā)展.超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)無損檢測是研究比較多的一種檢測技術(shù).雖然基于SQUID的無損檢測系統(tǒng)價格較貴、操作不方便(附帶低溫冷卻裝置)會限制其使用范圍,但SQUID的高帶寬、高磁場靈敏度特性,在一些應(yīng)用中會有很大的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿?高溫SQUID器件制備技術(shù)的發(fā)展和成熟將會促進(jìn)SQUID在無損檢測中的廣泛應(yīng)用.

SQUID無損檢測實質(zhì)上是探測被測物體附近的磁場分布從而非接觸地獲得與磁信號有關(guān)的信息(如缺陷大小、深度等等).根據(jù)磁場產(chǎn)生的特點通?？煞譃闊o源法和有源法.前者無需激勵場,主要用于探測非鐵磁材料內(nèi)的磁摻雜、檢測鐵磁材料的應(yīng)力分布、探測鐵磁體表面的磁通泄漏(MFL)等.后者需要對被測材料施加電流或利用電磁激勵在導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流,電流(或渦流)的分布與導(dǎo)體的導(dǎo)電特性有關(guān),如果導(dǎo)體中存在缺陷,該缺陷將會嚴(yán)重影響導(dǎo)體的導(dǎo)電性能,例如導(dǎo)體塊中如果存在裂縫,電流(或渦流)在導(dǎo)體中流動時會繞過裂縫而重新分布,通過SQUID檢測該電流(或渦流)產(chǎn)生的磁場,就可得到有關(guān)缺陷的信息.由于SQUID具有極高的探測靈敏度,因此在檢測材料的深層缺陷、細(xì)小缺陷等方面具有很好的應(yīng)用前景[10].已有的應(yīng)用示范包括： 航空器零部件檢測、半導(dǎo)體摻雜均勻性檢測、焊接工藝影響檢測、碳纖維復(fù)合材料檢測、金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變檢測、磁泄漏(MFL)檢測、金屬材料腐蝕性檢測、材料或食品中的磁性或金屬粒子檢測等許多方面[61-63].

圖12 左圖： 針尖Nano-SQUID探測Pb薄膜的磁通的示意圖； 右圖： 測量的Pb薄膜中靜態(tài)和運動狀態(tài)磁通線的圖像[60]Fig.12.Left： Pb thin film sample and the experimental set-up； Right： Magnetic imaging of stationary and fast moving vortices in Pb film at 4.2 K[60].

6 小結(jié)和展望

超導(dǎo)量子干涉器件作為一種最靈敏的磁探測器件,自從出現(xiàn)以來,一直受到廣泛的關(guān)注.在科學(xué)研究、生物醫(yī)學(xué)、資源探測和工業(yè)檢測等多個領(lǐng)域的應(yīng)用研究已經(jīng)取得顯著進(jìn)步,在一些地方發(fā)揮著難以替代的作用.需要低溫環(huán)境,尤其是液氦的使用,是限制其應(yīng)用推廣的一個重要因素,采用高溫超導(dǎo)材料制備的器件可以在很大程度上減少這種限制的影響.因此,不斷改進(jìn)高溫超導(dǎo)SQUID器件的制備技術(shù),提升器件性能及一致性是未來SQUID應(yīng)用的一個關(guān)鍵.同時,SQUID技術(shù)的發(fā)展也依賴于新的創(chuàng)新應(yīng)用的開發(fā).進(jìn)入二十一世紀(jì)以來,對于腦科學(xué)的研究越來越受到重視,基于SQUID的腦磁圖測量有可能發(fā)揮更大的作用.目前量子計算的熱潮也促進(jìn)和拓展了SQUID器件的應(yīng)用,SQUID可以用于構(gòu)建超導(dǎo)量子比特,也可用于超導(dǎo)量子比特的直接讀出,還可以做成高靈敏度的單光子水平微波信號放大器來探測量子比特態(tài)的信息[64-67].