超導量子干涉器件*

鄭東寧

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

2) (中國科學院大學,物理科學學院,北京 100049)

3) (松山湖材料實驗室,東莞 523808)

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

1 引 言

根據BCS理論,超導體中的載流子在臨界溫度Tc以下會形成庫珀對,并發生凝聚形成一種宏觀有序態.這種有序態可以用一個宏觀波函數(序參量)描述.事實上,在 BCS 理論出現之前,London[1]就指出超導是一種宏觀量子現象.他還進一步預言一個閉合超導環所包含的磁通是量子化的,是磁通量子Φ0的整數倍,其中磁通量子是普朗克常數h除以載流子的有效電荷[1].這一預言后來得到了很好的實驗驗證,實驗結果顯示Φ0=h/2e≈2.0678 × 10—15Wb[2,3](這里e為電子電荷).分母為2e表明了超導體中的超導載流子是兩個電子配對形成的庫珀對.高溫超導材料發現以后,實驗上也很快驗證了高溫超導閉合環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宏觀波函數的單值性決定的,即繞環路一圈回到原點后波函數的值不變,相位變化須是2π的整數倍.

1962年約瑟夫森預言[5],被一層很薄絕緣體分開的兩個超導體形成的超導-絕緣-超導(S-I-S)隧道結中,兩側的超導波函數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,也就是說超導電流可以無阻地流過隧道結.超導電流Is和絕緣層兩端超導體波函數相位差φ之間的關系為

如果結上有電壓V,則φ隨時間的變化率為

約瑟夫森的理論預言很快為實驗所證實[6],這一效應也就稱之為約瑟夫森效應.進一步的研究顯示約瑟夫森效應不但在S-I-S隧道結上可以觀察到,在其他形式的弱連接結上也可觀察到.

根據(1)式和(2)式很容易計算得到一個約瑟夫森結的耦合能為

另外,也可看出約瑟夫森結可以看作一個非線性電感,電感值為

自上世紀60年代約瑟夫森效應和磁通量子化現象被實驗所證實以來,基于這兩種現象的超導器件和應用不斷出現,在許多領域發揮著重要的作用.本文介紹的超導量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)是其中一個主要的方面.關于SQUID的研究已有五十多年的歷史,是一個發展相對成熟的方向,有很多的綜述文獻和書籍可供參考[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的超導環路構成.一般稱前者為射頻SQUID(RFSQUID),后者為直流 SQUID(DC-SQUID).當穿過SQUID環路的磁通Φ發生變化時,SQUID器件的電感(射頻SQUID)或臨界電流(直流SQUID)會發生相應的變化,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,任何可以轉化為穿過SQUID環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計或電流傳感器等.屏蔽電流或穿過SQUID超導環路的磁通使SQUID電壓-磁通或電流-磁通曲線出現周期性振蕩,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,超導環路中的環流是J,兩個約瑟夫森結的臨界電流都是Ic0,相位差分別是φ1和φ2.根據約瑟夫森方程,流過兩個結的電流滿足如下關系：

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

根據超導環路量子化關系(假定超導環路電感很小,可以忽略)

定義 SQUID 的相位差為φ= (φ1+φ2)/2,根據(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,臨界電流

隨磁通周期變化.顯然,出現這種現象的原因是磁通產生的環流電流使得SQUID環路兩側約瑟夫森結上的相位差不同而引起干涉效應,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象.

在大多數應用中,SQUID器件中超導環路的幾何電感L不能忽略.通常用屏蔽參數βL=2LIc/Φ0,來描述環路幾何電感的影響.圖2所示的是不同βL參數值對應的磁通對DC-SQUID器件臨界電流調制的情況.

圖2 不同屏蔽參數 βL 對應的磁通對 DC-SQUID 器件臨界電流調制的情況[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臨界電流的調制,當SQUID電流偏置在略大于臨界電流的狀態時,SQUID兩端的電壓也會受磁場調制而在最大值和最小值間以Φ0為周期變化.圖3是根據DC-SQUID的等效電路給出的不同外加磁通Φa下的I-V曲線,以及對應的結上電壓隨磁通變化的情況.其中和約瑟夫森結并聯的電容C是結超導電極和絕緣層形成的電容,電阻R是外加的并聯電阻或本征的并聯電阻.合適的R值保證約瑟夫森結的I-V曲線無回滯.電壓的變化幅度表明了磁通對SQUID電壓的調制的大小,被稱為電壓調制深度.而電壓變化與磁通變化之比 ΔV/ΔΦ被稱為 SQUID的傳遞函數.因此,SQUID本質上是一個磁通電壓的轉換器.

SQUID可以測量遠遠小于一個磁通量子的磁通.但是由于SQUID的環孔很小,因此對磁場強度的測量并不靈敏.實際應用中,一般將SQUID與不同形式的探測線圈耦合起來構成SQUID磁強計或梯度計.磁強計和梯度計可以測量很微弱的磁場或磁場梯度信號,因此可以應用在很多領域.

除傳統的直流和射頻SQUID器件外,另外一種稱為超導量子干涉濾波器(superconducting quantum interference filter,SQIF)的器件近年也受到很多關注.這種器件包含許多連接在一起的SQUID構成的陣列,其中每個SQUID環路的大小不一,這樣使得各個SQUID對應的磁通電流干涉曲線在零磁通以外的區域相互抵消,而只在零磁通的區域出現一個峰.因此,與傳統 SQUID 相比,電壓-磁通曲線不再是周期變化的,而是只出現一個峰.這種器件可以用來進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發展的歷史上,卻是第二種磁通調制讀出電路最早被廣泛使用,因為這種方式工作穩定,噪聲低.磁通調制可以有效地減少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上的對應磁通調制的交變電壓信號,減少了前置放大器本身噪聲的影響.磁通調制讀出電路的缺點是電路相對復雜,工作帶寬受到磁通調制頻率以及電壓變壓器的限制.一般常規的磁通調制讀出電路工作的工作頻率在約100 kHz以內.通過電路改進,工作頻率可以提高到幾MHz.隨著多通道SQUID系統的發展,以及半導體放大器性能的不斷提高,直接讀出FLL電路由于其電路結構簡單、工作帶寬大,而逐漸得到廣泛應用.

圖3 DC-SQUID (a)等效電路示意圖； (b)磁通分別為整數個和半整數個 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].

針對實際應用,人們還發展出了多種其他形式的讀出電路,可根據噪聲、動態范圍、頻率響應等方面的要求選取合適的讀出電路[7,14,17].目前利用常規的半導體讀出電路,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.前面已經提到約瑟夫森結可看成一個非線性電感.當外加磁通變化時,RF-SQUID環路的電感發生變化導致與其耦合的諧振電路的諧振頻率和相位等發生變化.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,目前絕大多數應用都采用DC-SQUID作為探測器件.低溫超導RF-SQUID應用方面的報道較少,高溫超導RF-SQUID有可能在一些方面得到應用.

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目的起伏導致的噪聲電流.

散粒噪聲和熱漲落噪聲都與頻率無關,被稱為白噪聲.一般散粒噪聲只有在電流很小時才能表現出來,對于高溫超導器件來說,熱漲落噪聲遠遠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制和偏置電流反轉技術來抑制[7,17].抑制第二種噪聲需要采用高質量的超導薄膜和對SQUID進行特殊的設計來減少磁通釘扎.一種常用的方法是將器件中超導薄膜部分制備成網格狀,使磁通局限在網格的孔中[18].

如果要用SQUID測量磁通,熱噪聲的能量必須遠小于磁通的能量,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設計時,會考慮工作溫度和屏蔽參數βL～1等條件,再根據約瑟夫森結無回滯條件βC＜ 1來確定SQUID電感、結的臨界電流和正常態電阻等參數,以使SQUID處于最佳的工作狀態[7,19].

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

原則上,高溫超導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SQUID器件呈現出高的噪聲水平似乎也不奇怪.但是根據SQUID噪聲的理論分析,磁通白噪聲與SQUID電感L,結電容C等有如下關系：

這里βC= 2πICRn2C≈ 0.4是 約 瑟 夫 森 結的Stewart-McCumber參數.高溫超導結的βC參數基本不隨結的大小變化,而低溫結中正常態電阻Rn通常由外加并聯電阻決定,因此SΦ與結電容C無關.基于這些考慮,由于高溫超導約瑟夫森結的電容很小,因此高溫超導SQUID器件仍然可以實現低的噪聲[20].需要注意的是,上述討論不適用于凍結磁通跳躍、結區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,需要生長高質量的高溫超導薄膜,薄膜要均勻外延、單一取向、致密且孔洞少.

4 低溫超導和高溫超導 SQUID

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

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

工作溫區低溫超導SQUID器件一般工作在 4.2 K,用液氦冷卻.高溫超導 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的恒溫器來冷卻SQUID器件,這樣可以方便應用,但面臨如何有效抑制制冷機產生的電磁干擾的困難.

器件制備SQUID器件中的關鍵是約瑟夫森結,低溫超導SQUID器件中的約瑟夫森結為Nb/AlOx/Nb三層結構.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,器件的參數控制比較容易,器件的參數一致性和良率都能夠得到較好保證.

與之相比,高溫超導約瑟夫森結的制備就要困難得多.這主要歸咎于材料復雜的化學和結構特性、非常短的相干長度、對氧含量敏感等原因,導致薄膜質量難以控制、平整度和均勻性不好,很難在高溫超導薄膜上制備非常薄的絕緣層.因此尚沒有利用高溫超導薄膜制作三層結構的約瑟夫森結的方法.早期高溫超導約瑟夫森結主要有雙晶結、臺階結、臺階SNS結（即超導-正常金屬-超導結）以及斜邊結等形式[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.雙晶結是將基片定向后,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.雙晶結的臨界電流密度隨雙晶取向間的夾角增加而指數減小[24].通常采用 24°,45°和 36°的雙晶基片制作SQUID.用雙晶結制備的SQUID器件通常有較好的噪聲特性,但缺點是需要雙晶基片,成本高而且結的位置不能任意選擇.

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

臺階結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.臺階結的優點是可以在基片的任何位置刻蝕臺階,制備工藝相對簡單.但是臺階結的質量依賴于臺階的微觀結構,因此器件性能可重復性不是很好.不過,近十多年里,隨著工藝的不斷改進,MgO 基片上臺階結的質量一直在提高,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基片臺階結獲得了白噪聲水平達到約5 fT/Hz1/2的高溫超導直流 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薄膜,由于臺階邊緣很陡,在邊緣處沒有超導薄膜.再鍍上一層Ag或Au膜覆蓋在臺階邊緣，形成SNS結.這種結的正常態電壓IcRn在77 K可以做到1 mV,然而其輸運和噪聲性質均不理想.

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、采用臺階結的高溫超導DC-SQUID磁強計在超導屏蔽環境下測量的噪聲譜[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].

斜邊結是先在基片上生長一層超導薄膜和絕緣層,再刻蝕出一個斜邊,然后沉積一層阻擋層和頂電極.優點是由于頂電極的屏蔽作用使得其抗干擾能力強,具有熱循環穩定性.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,采用SrSnO3/La-YBa2Cu3O7/SrSnO3/La-YBa2Cu3O7多層結構.約瑟夫森結的臨界電流偏差分布可以在8%以內[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約瑟夫森結,并制備約瑟夫森結和SQUID器件[27].由于高溫超導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體中形成氧錯位和空位等缺陷,使得材料中受輻照區域變成非超導的.最近的研究顯示,利用氬離子輻照在狹縫區域局部去除超導材料形成溝槽型弱連接,SQUID器件的噪聲水平可以達到63 fT/Hz1/2,與雙晶結SQUID相當[28].利用有納米尺度狹縫的金屬掩模進行局部輻照的方式,可以根據需要在指定位置制備出約瑟夫森結.此外,近年來隨著聚焦離子束技術的發展,利用聚焦氦離子直接局部轟擊可以有效形成約瑟夫森結[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SQUID,可以用低溫超導線繞制探測線圈,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,便于減少環境干擾.磁通變換器一般做成平面多圈形式,置于SQUID環孔上(圖8).

對高溫超導SQUID,繞制探測線圈和利用多層薄膜技術制備具有良好超導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連接的高溫超導線,因此很難繞制探測線圈.另外,高溫超導薄膜材料需要在結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.國際上只有少數研究組能夠制備出,器件良率不易提高.因此,高溫SQUID磁強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) 狹縫左側末端的放大圖.從圖中可以看見結區和并聯電阻[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].

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

5 SQUID 應用

自上世紀60年代SQUID出現以來,SQUID的應用研究一直在不斷地持續開展.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,由于超導體對磁場而非磁場的變化率產生響應,SQUID器件可以探測直流到GHz的信號,通常測試系統的頻響受讀出電路的限制,一般可達 10—100 MHz 量級； 3)很大的動態范圍,SQUID器件的動態范圍很容易達到130 dB水平,磁信號幅度變化 6—7個量級不會影響系統的工作穩定性； 4)很高的線性響應特性.由于這些特點,幾十年來,SQUID器件的應用研究已經涉及到醫學科學、科學儀器、地球物探、工業無損檢測以及精密測量等許多領域.關于已有的SQUID應用領域可以參考相關文獻[8,10].

5.1 生物磁探測

生物體內血液和神經中離子流動會產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不同器官和組織產生的微弱磁信號進行無創無接觸檢測,在疾病檢測和醫學研究中極具應用前景.上世紀70年代起,就已經開始相關應用研究,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學健康領域的巨大應用前景,相關研究是目前SQUID應用研究領域最大的一個分支.

5.1.1 腦磁信號探測

大腦神經活動產生的磁場信號可為研究大腦的行為、腦部疾病產生的原因和確定病灶等提供非常有用的信息,在腦科學和腦疾病研究中越來越受到重視[31].腦磁圖 (magnetoencephalography,MEG)系統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相比,各有優缺點,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的優勢,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應用.目前SQUID器件是MEG系統中采用最廣泛的探測器件,這一領域也是SQUID最大的應用領域[12].1993年,第一臺多通道全頭型MEG的出現,標志著MEG醫學臨床應用研究的開始.據估計,目前約有250臺腦磁圖商業系統分布在世界各地,主要集中在發達國家.這些系統包含總計約50000個SQUID器件.

利用MEG,頭部重要功能皮質區(eloquent cortex)產生的誘發場、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的研究內容也在不斷演變和深入,從感知、處理、分析大腦不同區域的功能連通性,到諸如嬰兒期到成年期的大腦發育相關問題研究等[31].目前,癲癇患者的手術前評估,腦腫瘤患者雄辯皮質的鑒定或血管畸形已被公認為臨床MEG研究的適應癥[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層不同區域的功能和彼此之間的連接性方面能夠發揮重要作用,因此MEG在注意、記憶等認知功能和神經紊亂性疾病等腦科學和腦疾病的研究、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系的示意圖和一些結果.

全球有數億人患有癲癇、中風、阿爾茲海默及抑郁癥等與大腦相關的疾病,形成巨大的社會負擔.通過早期的準確檢測和診斷方式改進,可以早發現早治療，從而有可能減少這些疾病造成的損害和負擔.因此,隨著SQUID腦磁系統的不斷改善和技術的進步,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 信號進行雙穩視覺感知研究.右圖： 一個 SQUID 腦磁測量系統[11]Fig.9.Left： MEG study of bistable visual perception using a frequency-tagged stimulus； Right：A SQUID MEG system[11].

SQUID-MEG系統的進一步廣泛推廣應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據的積累和分析,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關系,以便臨床應用；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.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系統采用工作在液氦溫度的低溫超導SQUID器件,液氦的使用是使用成本高的重要原因.近年來,人們已經研發了利用小型制冷機重新液化揮發氦氣的閉路恒溫器[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,既減少了信號強度又降低了空間分辨率.近年來,隨著高溫超導SQUID器件性能的不斷提高,利用高溫SQUID構建MEG系統的研發工作受到更多關注[20,35].由于工作在液氮溫區,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 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度.

SQUID器件在MEG中的應用也面臨其他技術的競爭.高靈敏原子磁強計可以具有與SQUID器件相當的磁場靈敏度,基于這種器件的MEG系統正在發展中.其最大的優勢是不需要低溫系統,可望顯著降低運行成本.系統重量也可大大減少,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].但是原子磁強計工作在標量模式,無方向分辨.而且其頻率響應范圍小,只能工作在約30 Hz以下的頻率范圍,動 態 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,根據應用需求的不同而決定采用原子磁強計還是SQUID器件.

5.1.2 心磁信號探測

心臟的電生理活動產生的磁場信號可以用SQUID器件進行探測.采用多路探測系統,可以獲得胸部心磁信號的分布,構成二維心磁圖(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,檢測的技術難度相對較低.人們預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揮作用.全球心臟疾病患者的數目非常龐大,據統計,我國冠心病患者約有1000萬人,而且每年有大量的新增病人.現在臨床廣泛應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化產品.日本Tsukuba大學醫院利用一臺64通道的心磁系統,在近十年的時間,對10000多位病人進行了心磁圖測量,結果清楚表明心磁圖可以給出比心電圖更多的信息[38].

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

目前限制SQUID心磁圖系統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據系統分析基礎上的具有明確醫學意義的心磁圖結果與各種心臟疾病的對應關系.高溫超導SQUID器件的靈敏度能較好地滿足心磁測量,主要的挑戰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.

5.2 其他生物醫學醫用

除上述的腦磁和心磁等生物磁測量應用外,SQUID弱磁檢測在生物醫學中還有一些其他應用.例如,用SQUID追蹤檢測包附有生物功能基團磁性納米粒子的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,有可能便于區分病變組織.因此,這兩方面的應用將有可能在諸如癌癥和腫瘤組織的早期檢測領域發揮作用.

包附有生物功能基團的磁性納米粒子的追蹤檢測是生物醫學上常用的方法之一.免疫測定在生物和醫學中廣泛用于復雜試樣如血液中的被分析物含量的確定.它通過抗原與相應抗體之間的特定結合,確定試樣中是否存在某種特定的抗原及其含量.隨著納米材料的發展,利用磁性納米粒子作為生物標記進行免疫測定的技術得到發展.利用納米磁性粒子作為標記并再利用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定性好、無毒、可以通過磁場進行操控的特點.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學研究以及更進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的磁性標記,可以從血液中區分檢測出早期奧茲海默癥對應的Aβ1—42蛋白[40].

這方面的研究大多采用高溫超導SQUID,應用的推廣需要研制針對各種適應檢測的磁性標示物.

磁共振成像(MRI)是超導技術最廣泛的商業應用,已經成為臨床醫學檢測和研究不可或缺的工具.雖然目前磁共振成像技術發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境下的核磁共振譜和磁共振成像技術,以期開發出新的應用.與常規高場磁共振成像系統相比較,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揮作用[41-43].超低磁場核磁成像系統的磁場一般在100 μT的量級,這樣的系統簡單輕便,便于移動.為了補償由于磁場降低而導致的信號大幅降低,一般采用施加預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分腫瘤和正常組織[44].

對于實際應用而言,最主要的挑戰是如何減少系統中的各種噪聲,提升整體探測靈敏度.預計,基于SQUID探測器的超低磁場核磁共振和成像系統有可能在腫瘤組織、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空間分辨率好的優點,有助于腦磁信號的定位和源的重構,以及獲得神經電流的分布圖等[45].圖10給出了在兩個不同MEG-MRI集成實驗系統上測量的結果.其中圖10(a)和圖10(b)分別給出在一個MEG-MRI集成系統上和一個常規的先進的MEG上測量得到的腦磁信號結果,數據是視覺誘發反應產生的等效偶極和磁場分布.兩組結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集成系統得到的96 μT磁場下的ULF-MRI切片圖和一個常規3T的MRI切片圖.其中ULF-MRI系統也測量聽覺反應產生的腦磁信號,相應的偶極子的位置和方向在圖10(c)中標出.

圖10 (a) 在 MEG-MRI集成實驗系統上測量的以及 (b)同樣刺激在最先進的MEG系統上得到的視覺誘發反應產生的等效偶極和磁場分布； (c)用另一個MEG-MRI集成實驗系統在96 μT磁場下得到的超低磁場MRI切片圖和記錄的聽覺反應腦磁信號對應的偶極子； (d)常規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用,用以探測微弱的地球磁場變化或激勵的響應信號.自SQUID出現以來,已經在多種場合開展過示范應用,一些商業化設備也已經出現[46-49].這方面的應用大致可分為被動型和主動型兩類.在被動型探測中,SQUID器件磁強計或梯度計直接探測掃描區域內微弱的地磁場變化,發現磁異常區域.這些磁異常通常與各種金屬礦或其他導電型礦有關.這類應用中,通常采用梯度計構型,或者利用多個梯度計進行磁場分布的全張量測量.

在主動型探測中,通過測量在地表發射的激勵脈沖電磁信號的響應,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感應式探測線圈所不能得到的深部信息.

當前我國經濟快速發展,對各種礦產資源的需求十分旺盛,但是我國地下礦產探測主要局限在淺層 (＜ 800 m),遠低于發達國家的水平 (約 2000 m),深層資源的探測急需開展.高靈敏度的SQUID磁探測系統對深層地質構造的磁探測能力獨特,遠強于傳統感應線圈式的探頭,具有較大優勢,將在探尋深層資源方面發揮重要作用.國內相關單位近年來也加強了相關方面的研究,在器件制備、系統集成和實地應用研究方面都取得了顯著進展.

中國科學院上海微系統研究所成功研制出國際第二套航空低溫超導全張量磁梯度探測系統[50],并進行了多次野外飛行測量,得到了航空超導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 SQUID 系統,噪聲為 7 fT,動態范圍達 160 dB[51].在實際應用中,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、內蒙等常規技術疑難礦區獲得突破,探測結果得到鉆井資料的驗證.圖11是超導瞬變電磁探礦系統和在內蒙古四子王旗實地測量結果,數據的反演結果中超過2000 m的低阻區域能夠清楚地顯示出來.

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

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

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

5.4 科學儀器中的應用

SQUID器件在各種科學儀器和科學研究領域中都有很多的應用.目前廣泛用于材料磁性測量和表征的美國Quantum Design公司的磁性質測量系統 (magnetic properties measurement system,MPMS)產品是一種大家熟悉的使用SQUID的科學儀器.該類系統中,一個SQUID器件與超導線繞成的二階梯度線圈構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轉變邊沿探測器(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].由于陣列中器件數目龐大,需要大量SQUID讀出電路,人們發展了多種包括時分、碼分和頻分方式的多路復用方案[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,在諸如暗物質探測等基礎科學領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顯微鏡是結合SQUID和掃描探測技術發展起來的高靈敏度微區磁信號探測儀器.掃描SQUID主要應用于基礎科學、納米材料科學、工業無損檢測和分子生物技術等研究領域.IBM實驗室的研究人員利用掃描SQUID顯微鏡證實了高溫超導體具有d波配對性,大大推動了高溫超導機理的研究[58].半導體芯片中納米量級芯片導線的無損檢測也是掃描SQUID顯微鏡的一個可能應用.目前在市場上已有掃描SQUID顯微鏡的產品.

為了提高掃描SQUID的空間分辨率,以色列Weizmann科學研究所的一個研究組發展了一種很有創意的稱為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,實現了好于1 μK的局部溫度測量.他們用該系統研究了超導薄膜中磁通線的動力學行為(圖12),以及多種量子物態的局部耗散機制[59,60].

5.5 工業無損檢測

無損檢測在工業生產環節的質量控制、設備運行的可靠性保障、材料服役性能的評估等各個領域具有重要的地位.隨著人們對質量和可靠性要求的提高,無損檢測技術越來越受到重視,新的檢測方法和手段也在不斷地研究和發展.超導量子干涉器(SQUID)無損檢測是研究比較多的一種檢測技術.雖然基于SQUID的無損檢測系統價格較貴、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,在一些應用中會有很大的優勢和發展潛力.高溫SQUID器件制備技術的發展和成熟將會促進SQUID在無損檢測中的廣泛應用.

SQUID無損檢測實質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的信息(如缺陷大小、深度等等).根據磁場產生的特點通常可分為無源法和有源法.前者無需激勵場,主要用于探測非鐵磁材料內的磁摻雜、檢測鐵磁材料的應力分布、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體中產生渦流,電流(或渦流)的分布與導體的導電特性有關,如果導體中存在缺陷,該缺陷將會嚴重影響導體的導電性能,例如導體塊中如果存在裂縫,電流(或渦流)在導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)產生的磁場,就可得到有關缺陷的信息.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、細小缺陷等方面具有很好的應用前景[10].已有的應用示范包括： 航空器零部件檢測、半導體摻雜均勻性檢測、焊接工藝影響檢測、碳纖維復合材料檢測、金屬材料的應力應變檢測、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薄膜中靜態和運動狀態磁通線的圖像[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 小結和展望

超導量子干涉器件作為一種最靈敏的磁探測器件,自從出現以來,一直受到廣泛的關注.在科學研究、生物醫學、資源探測和工業檢測等多個領域的應用研究已經取得顯著進步,在一些地方發揮著難以替代的作用.需要低溫環境,尤其是液氦的使用,是限制其應用推廣的一個重要因素,采用高溫超導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,不斷改進高溫超導SQUID器件的制備技術,提升器件性能及一致性是未來SQUID應用的一個關鍵.同時,SQUID技術的發展也依賴于新的創新應用的開發.進入二十一世紀以來,對于腦科學的研究越來越受到重視,基于SQUID的腦磁圖測量有可能發揮更大的作用.目前量子計算的熱潮也促進和拓展了SQUID器件的應用,SQUID可以用于構建超導量子比特,也可用于超導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的信息[64-67].