스퀴드

SQUID의 감지 요소, 2008

SQUID(초전도 양자간섭 소자)는 조지프슨 접합부를 포함한 초전도 루프를 기반으로 매우 미묘한 자기장을 측정하는 데 사용되는 매우 민감한 자기계입니다.

SQUID는 며칠 평균 ^[1]측정으로 5×10T의⁻¹⁴ 낮은 필드를 측정할 수 있을 정도로 민감합니다.그들의 소음 수준 3fT·Hz−.mw-parser-output .frac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.frac.num,.mw-parser-output.frac .den{:80%;line-height:0;vertical-align:슈퍼 font-size}.mw-parser-output.frac .den{vertical-align:서브}.mw-parser-output .sr-only{로 낮다.국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}1⁄2.[2]비교하자면 전형적인 냉장고 자석, 그리고 동물들에 일부 프로세스 10−9 T와 10−6 T.SERF 원자 magnetometers 사이에 아주 작은 자기장, 2000년대 초반에 발명된 잠재적으로 더와 저온 냉장을 요하지 않지만 규모 크기(~1 cm3)a에서 더 큰 민감하다를 생산해 0.01테슬라(10−2 T)을 생산하알몬드 mus0에 가까운 자기장에서 작동해서는 안 된다.

이력 및 설계

SQUID에는 주로 직류(DC)와 무선주파수(RF)의 2종류가 있습니다.RF SQUID는 1개의 Josephson 접합(슈퍼컨덕터널 접합)에서만 동작할 수 있기 때문에 제작 비용은 낮아지지만 감도는 낮아집니다.

직류 스퀴드

DC SQUID의 다이어그램.

전류

I

(

디스플레이 스타일 I

)

는

I

2개의 경로로 진입하여 분할되며, 각각

I_{a}

I(

디스플레이

스타일 I_

{a

와

I_{b}

(

디스플레이

스타일

I_{

b

I_{b}

가 있습니다.각 경로의 얇은 장벽은 두 초전도 영역을 함께 분리하는 조셉슨 접합부입니다.

δ \displaystyle

\Phi

\Phi

}는 DC SQUID 루프를 관통하는 자속을 나타냅니다.

SQUID의 전기적 개략도는

I_{b}

I_{b}

{

I_{b}

I_

{b},

I_{0}

0 {

I_{0}

은

I_{0}

의

I_{0}

임계 전류,

\Phi

{

displaystyle \Phi }

는

\Phi

SQUID를 통과하는 플럭스,

V

{

displaystyle

V

}

는

V

그 플럭스에 대한 전압 응답입니다.X기호는 조지프슨 접합부를 나타냅니다.

왼쪽: SQUID에 대한 전류 대 전압의 그림. 상한 곡선과 하한 곡선은 각각

n\cdot \Phi _{0}

0 {

displaystyle

n \

cdot

\

Phi _

{ 0 }

n+{\frac {1}{2}}\cdot \Phi _{0}

n+{\frac {1}{2}}\cdot \Phi _{0}

+

n+{\frac {1}{2}}\cdot \Phi _{0}

1

n+{\frac {1}{2}}\cdot \Phi _{0}

{\ 0 {

display

style n + { \

frac

{

1}

{

2}}

\

cdot

\

Phi

_

n+{\frac {1}{2}}\cdot \Phi _{0}

0 }에

n\cdot \Phi _{0}

n+{\frac {1}{2}}\cdot \Phi _{0}

n+{\frac {1}{2}}\cdot \Phi _{0}

합니다.오른쪽: SQUID를 통과하는 플럭스에 의한 주기적인 전압 응답. 주기성은 하나의 플럭스 양자

\Phi _{0}

0

(\

_

{0

과 같습니다.

DC SQUID는 1962년 브라이언 조셉슨이 조셉슨 효과를 가정한 후 포드 연구소의^[3] 로버트 자클빅, 존 J. 램브, 제임스 머세로, 아놀드 실버에 의해 1964년 발명되었으며, 1963년 ^[4]벨 연구소에서 존 로웰과 필립 앤더슨이 처음으로 조셉슨 접합부를 만들었다.초전도 루프에 두 개의 조셉슨 접합부가 병렬로 있습니다.DC Josephson 효과를 기반으로 합니다.외부 자기장이 없는 경우 입력 $I$ 은 두 $분기로$ 균등하게 $I$ 분할됩니다.초전도 루프에 작은 외부 자기장이 인가되면 스크리닝 $I_{s}$ 인 $I_{s}$ \ $displaystyle I_{s$ 가 인가된 외부 자속을 취소하는 자기장을 발생시키는 루프를 순환하기 시작하여 이 외부 ^[5]자속에 비례하는 추가적인 조셉슨상을 생성한다.유도 전류는 초전도 루프의 분기 중 하나에 있는 I $(표시 스타일$ I $)$ 와 $I$ 같은 방향이고 다른 분기에 있는 I $(표시 스타일$ I $)$ 와는 $I$ 반대 방향입니다. 총 전류는 $I/2+I_{s}$ I/ $I/2+I_{s}$ + $I/2+I_{s}$ ( $표시$ 스타일 $I/2+)$ 가 $I/2+I_{s}$ . $I_{s}$ $I/2-I_{s}$ ${$ s $I/2-I_{s}$ }개, 다른 브랜치에서는 I_{ $displaystyle$ I/ $2-I_{s$ } $.$ 두 분기 중 하나의 전류가 조지프슨 접점의 임계 전류 $($ I_ ${c$ 를 초과하면 접점 전체에 전압이 나타납니다.

이제 외부 플럭스가 $\Phi _{0}/2$ 0 / $\Phi _{0}/2$ (\ $displaystyle \Phi$ _ ${0}/2$ 즉 자속 양자의 절반을 초과할 때까지 더 증가한다고 가정합니다.초전도 루프로 둘러싸인 플럭스는 플럭스 퀀텀의 정수여야 하기 때문에 현재 SQUID는 플럭스를 스크리닝하는 대신 $\Phi _{0}$ 0 $(\display$ \ $Phi _{$ 0 $\Phi _{0}$ 으로 증가시키는 것을 적극적으로 선호합니다.전류는 이제 반대 방향으로 흐르며, 허용된 플럭스 $\Phi _{0}$ 0 $($ 스타일 \ $Phi$ _ ${0})$ 과 $\Phi_0$ $\Phi _{0}/2$ 0 $(디스플레이$ 스타일 $\Phi$ _ ${0}/2$ 를 조금 넘는 외부 필드 간의 차이를 반대로 합니다.외부 필드가 증가할수록 전류가 감소하고 플럭스가 정확히 δ $(\$ _ ${0$ 이면 0이 되며 외부 필드가 증가할수록 방향이 반전됩니다.따라서 플럭스가 $\Phi _{0}$ $(\$ $displaystyle\Phi_{0$ 의 $\Phi_0$ 반정수배수마다 최대암페어, $\Phi _{0}$ (\ $displaystyle\Phi_{0})$ 정수배수마다 0암페어마다 변화할 때마다 전류가 주기적으로 변화합니다.

입력 전류가 $(\$ 보다 클 경우 SQUID는 항상 저항 모드로 작동합니다.따라서 이 경우 전압은 $\Phi _{0}$ 된 자기장과 δ $(\display$ \ $Phi$ _ ${0$ 과 같은 주기의 함수입니다. DC SQUID의 전류 전압 특성은 분로 저항이므로 R $(\displaystyle$ R $)$ 은 $R$ 접점을 통해 연결되어 이력을 제거합니다(황소 구리인 경우).ide 기반 고온 초전도체는 일반적으로 접합 자체의 고유 저항으로도 충분합니다.)스크리닝 전류는 인가된 플럭스를 링의 자기유도로 나눈 값입니다.따라서 $\Delta \Phi$ { $displaystyle \Delta \Phi}$ 는 $\Delta \Phi$ 다음과 같이 $\Delta V$ V(\ $displaystyle \Delta$ V $)($ flux to voltage converter)^[6]^[7]의 함수로서 추정할 수 있습니다.

\displaystyle \Delta V=R\cdot \Delta I}

2\cdot I=2\cdot {\frac {\Delta \Phi }{L}}

I

2\cdot I=2\cdot {\frac {\Delta \Phi }{L}}

2\cdot I=2\cdot {\frac {\Delta \Phi }{L}}

⋅

2\cdot I=2\cdot {\frac {\Delta \Phi }{L}}

L {

displaystyle

2 \

cdot I =

2 \ cdot {

Frac

{

Delta

2\cdot I=2\cdot {\frac {\Delta \Phi }{L}}

\

Phi

} {

L

}

2\cdot I=2\cdot {\frac {\Delta \Phi }{L}}

。여기서 L { displaystyle L {

displaystyle

L

}

\displaystyle \Delta V = scdfrac {R} {L} \ cdot \ Delta \ Phi }

이 절의 논의는 루프의 완벽한 플럭스 양자화를 가정했다.단, 이것은 자기유도가 큰 큰 루프의 경우에만 해당됩니다.위의 관계에 따르면 이는 작은 전류 및 전압 변동을 의미하기도 합니다.실제로 루프의 자기유도 $(\displaystyle$ L $)$ 은 $L$ 그다지 크지 않습니다.일반적인 사례는 매개 변수를 도입하여 평가할 수 있다.

{\displaystyle \displayda = scfrac {i_{c}L}Phi _{0}}}}}:

$i_{c}$ { $display style$ i _ { $c$ } $\lambda$ 、 SQUID의 임계 전류입니다.보통 ^[8] ${\$ { \ $displaystyle$ \ $lambda$ } 。

RF SQUID

오징어 시제품

RF SQUID는 1965년 ^[7]Ford의 Robert Jaklevic, John J. Lambe, Arnold Silver 및 James Edward Zimmerman에 의해 발명되었습니다.AC Josephson 효과를 기반으로 하며 하나의 Josephson 접합만 사용합니다.DC SQUID에 비해 감도는 떨어지지만 가격이 저렴하고 소량 제조가 용이합니다.극히 작은 신호라도 생체 자성의 가장 기본적인 측정은 RF SQUIDS를 ^[9]^[10]사용하여 수행되었습니다.RF SQUID는 공명 탱크 ^[11]회로에 유도 결합됩니다.외부자기장에 따라 SQUID가 저항모드로 동작함에 따라 탱크회로의 유효인덕턴스가 변화하여 탱크회로의 공진주파수가 변화한다.이러한 주파수 측정은 쉽게 수행할 수 있으므로 회로 내 부하 저항에서 $\Phi _{0}$ 으로 나타나는 손실은 $\Phi _{0}$ δ 0(\ $displaystyle \Phi$ _ ${0$ 의 주기로 인가된 자속의 주기 함수입니다.정확한 수학적 설명은 Erné 등의 원본 논문을 참조하십시오.^[6]^[12]

사용재료

기존 SQUID용 초전도 재료는 순 니오브 또는 납 합금으로 온도가 반복적으로 변화할 경우 순납이 불안정하기 때문에 10% 금 또는 인듐이 함유되어 있습니다.초전도 상태를 유지하려면 액체 ^{[citation needed]}헬륨으로 냉각된 절대 영점 몇 도 내에서 전체 장치가 작동해야 합니다.

고온 SQUID 센서는 1980년대 ^[13]후반에 개발되었습니다.그것들은 고온의 초전도체, 특히 YBCO로 만들어졌으며 액체 헬륨보다 저렴하고 다루기 쉬운 액체 질소로 냉각된다.기존의 저온 SQUID보다 감도가 낮지만 ^[14]많은 용도에 적합합니다.

2006년에는 알루미늄 루프와 단일 벽의 카본 나노튜브 조셉슨 ^[15]접합부로 구축된 CNT-SQUID 센서에 대한 개념 증명서가 제시되었습니다.센서는 크기가 100nm에 불과하며 1K 이하에서 작동합니다.이러한 센서는 ^[16]스핀 수를 셀 수 있게 한다.

사용하다

1990년경 초기 SQUID의 내부 작업

SQUIDs의 극단적인 민감성은 그들을 생물학 연구에 이상적으로 만든다.예를 들어, 자기 뇌조영술(MEG)은 뇌 내부의 신경 활동에 대한 추론을 하기 위해 일련의 SQUID의 측정을 사용합니다.SQUID는 뇌에서 방출되는 신호의 가장 높은 시간 관심 주파수(kHz)보다 훨씬 높은 수집 속도로 작동할 수 있기 때문에 MEG는 우수한 시간 분해능을 달성합니다.SQUID가 사용되는 또 다른 분야는 위장의 약한 자기장 기록과 관련된 자기장 촬영이다.SQUIDs의 새로운 적용은 경구 도포 약물의 경로를 추적하는 데 사용되는 자기 마커 모니터링 방법이다.임상 환경에서 SQUID는 진단 및 위험 계층화를 위해 심장의 자기장을 감지하는 MFI(Magnetic Field Imaging)용 심장학에서 사용됩니다.

아마도 SQUID의 가장 일반적인 상업적 용도는 Magnetic Property Measurement System(MPMS; 자기특성측정시스템)일 것입니다.여러 제조업체에서 만든 턴키 시스템으로, 재료 샘플의 자기 특성을 측정합니다.이것은 일반적으로 300mK에서 ^[17]약 400K까지의 온도 범위에서 수행됩니다.지난 10년 이후 SQUID 센서의 크기가 감소함에 따라 이러한 센서는 AFM 프로브의 끝을 장착할 수 있습니다.시료 표면의 거칠기와 국소 ^[18]자속을 동시에 측정할 수 있다.

예를 들어, SQUID는 자기공명영상(MRI)을 수행하기 위한 검출기로 사용되고 있습니다.하이필드 MRI는 1~수 테슬라 세차장을 사용하는 반면 SQUID 검출 MRI는 마이크로테슬라 범위에 있는 측정장을 사용합니다.기존의 MRI 시스템에서 신호는 측정 주파수의 제곱(및 세차장)으로 스케일링됩니다.주파수의 1의 파워는 주위 온도에서의 스핀의 열편파에서 나오는 반면, 2의 파워는 픽업 코일의 유도 전압이 주파수에 비례한다는 사실에서 나오는 것입니다.세차 자화그러나 사전 편광 스핀의 비조절 SQUID 검출의 경우 NMR 신호 강도는 세차 운동장과 무관하므로 지구 자기장 순서로 매우 약한 영역에서 MRI 신호를 검출할 수 있습니다.SQUID에 의해 검출된 MRI는, 그러한 시스템을 구축하는 데 필요한 저비용과 콤팩트함 등, 하이필드 MRI 시스템에 비해 메리트가 있습니다.이 원리는 인간의 사지를 영상화함으로써 입증되었으며, 향후 적용에는 종양 검진이 ^[19]포함될 수 있다.

또 다른 응용 분야는 액체 헬륨에 담근 SQUID를 탐침으로 사용하는 스캔 SQUID 현미경이다.석유탐사, 광물탐사,^[20] 지진예측, 지열에너지 측량 등 초전도체 기술이 발달함에 따라 SQUID의 활용은 더욱 확산되고 있으며 중력파 ^[21]검출 등 다양한 과학적 응용분야에서 정밀운동센서로 활용되고 있다.SQUID는 일반 상대성 ^[1]이론의 한계를 테스트하기 위해 중력 탐사선 B에 사용된 4개의 자이로스코프 각각에 있는 센서입니다.

수정된 RF SQUID를 사용하여 동적 Casimir 효과를 처음으로 ^[22]^[23]관찰했습니다.

D-Wave Systems 2000Q 양자컴퓨터의 ^[24]기초로서 초냉각 니오브와이어 루프로 구성된 SQUID를 사용한다.

트랜지션 엣지 센서

SQUID의 가장 큰 용도 중 하나는 초전도 트랜지션 엣지 센서를 읽는 것입니다.수십만 개의 다중화된 SQUID가 현재 우주 마이크로파 배경 연구, X선 천문학, 약하게 상호작용하는 거대한 입자로 이루어진 암흑 물질 검색, 싱크로트론 광원에서의 분광학을 위해 배치되고 있습니다.

차가운 암흑 물질

Washington 대학의 Axion Dark Matter Experiment(ADMX; Axion Dark Matter Experiment)의 기초는 양자 제한에 가까운 SQUIDS라고 불리는 첨단 SQUIDS입니다.축삭은 차가운 ^[25]암흑물질의 주요 후보이다.

권장 용도

해상 초계기에 장착된 자기 이상 검출기(^[26]MAD)로 대잠수함 전쟁에서 사용될 수 있는 잠재적 군사 응용 프로그램이 존재한다.

SQUID는 SQUID 센서의 높은 자기장 감도와 자철 나노 ^[27]^[28]입자의 초파라매트릭(SPMR) 특성을 이용한 기술이다.이 나노입자들은 상자성체이다; 그들은 강자성이 되는 외부 장에 노출될 때까지 자기 모멘트를 가지지 않는다.자화장 제거 후 나노입자는 강자성 상태에서 상사성 상태로 붕괴되며, 시간 정수는 입경 및 외부 표면에 결합되어 있는지 여부에 따라 달라진다.SQUID 센서에 의한 붕괴 자기장 측정은 나노 입자를 검출하고 국재화하기 위해 사용된다.SMR의 적용에는 암 ^[29]검출이 포함될 수 있다.

「」를 참조해 주세요.

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