互动科普

超导量子干涉仪（SQUID）

John Clarke

超导量子干涉仪（SQUID）是最灵敏的磁场检测仪，其应用范围从大脑肿瘤诊断一直延伸到相对论试验。

靠近患病灶性癫痫病人头部放置一系列检测器，以接收细微的磁场波动，这样就能准确地测定出造成这一疾病病因的大脑损伤部位。在一间按近绝对零度的真空室中悬挂一根五吨重的铝棒，它等待着来自某一超新星重力波到达地产生的微小扰动。在加尼福尼亚安装一台单独的仪器，用它来记录地球磁的细微变化，以帮助地球物理学家们确定地下地热源的位置。

采用一台称为SQUID的仪器就有可能完成上述各不相同的测量工作。SQUID接收磁场变化，它是科学们所能获得的所有检测仪器中最灵敏的一种。仅因其固有的量子效应才使之受到一些限制。迄今为止，它已成为应用最广泛的小型超导仪器。虽然它并不是一项特别新的发明——去年它已庆祝了它30岁的生日——但是最近它才在获得更广泛应用方面经历了一场革命。80年代末，高温超导体的出现使SQUID能在液氮条件下工作。因而新型的SQUID将比由常规超导体制造的仪器使用起来更为简便，应用范围也更为广泛，而常规超导体制造的仪器仅仅在绝对零度附近才能工作。

SQUID从若干量子力学效应的组合中获得了少有的特性。电流无电阻流动是其中最为显著的性质。荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes因在1911年发现用液氦冷却至4.2K时水银的超导现象而荣获诺贝尔奖。随后，人们还发现许多金属——例如锡，铅和铌——以及大量的合金冷却至低温时，它们的电阻都为零。

物质发生超导现象的原因却迟迟未得到解释。一直到1957年，John Bardeen、Leon N. Cooper和J. Robert Schrieffer才发表了他们具有重要意义的论文，介绍了其理论研究成果，他们也因此而荣获诺贝尔奖。其成果被称之为BCS理论，它的要点是库珀对（Cooper pair）。所谓库珀对即将两个自旋和动量相反的电子结合在一起以便使其净自旋和动量为零。形成库珀对的吸引力是超导材料中电子负电荷和离子实正电荷之间的一种微弱的相互作用。离子实（ion core）是失去一个或几个最外层电子的简单原子，而失去了电子的离子实便可自由导电。当电子通过某一固体晶格点阵时，它便吸引这些离子实，产生出一个强化的正电荷区域。这一区域吸引另一电子附近的区域。这种效应类似于水床上的两个棒球，如果由这两个棒球引起的凹陷相互叠加，那么这两个棒球便相互吸引。一般有千分之一电子伏特能量便能将两个电子结合在一起，不过这种结合力很弱。

成对电子怎样无阻力地运动、而单个电子运动为何又会遇到阻力呢?在常规导体中，杂质、缺陷，特别是称为声子的晶格振动会使单个电子的运动状态产生偏移。电子内这类散射现象给常规导体带来了阻力。使库珀对中电子结合在一起的能量尽管较低，但是却足以阻止库珀对因散射而分开。因而库珀对能无阻力地通过导体。由于深度冷却能稳定晶格振动状态。所以它对于库珀对无阻力运动来说是必不可少的。在较高温度条件下，热能较大，足以使库珀对发生分裂。

超导体的一个值得往意的情况与其波函数有关。波函数是物理学家用以表述量子系统中粒子状态的一种数学工具。与任何一种波一样，波函数也具有振幅和相位——正弦波便是一个简单的例子。波函数使得某一特定粒子有可能在某一特定时刻处于某一特定位置上。对于超导体来说使人难以理解的是单个波函数就能描述库珀对的整个集合。无电流流动时，所有这些库珀对都具有相同相位——即一般认为它们是相位相干的。

SQUID实质性方面的第三件荣获诺贝尔奖的研究成果出自于Brian D. Josephson之手，他曾预言了目前以其名字命名的约瑟夫逊效应。

1962年他还是坎布里奇大学的研究生时，他就曾设想过用一层绝缘材料将两层超导材料分隔开，这层绝缘层充当着电流流动的阻挡层。与库珀对有关的量子力学波函数从两侧渗人这一“禁”区。假设该阻挡层不太厚，那么这两个波函数将产生叠加。如果这一叠加现象足够强烈，那么两个波函数的相位就会“锁定在一起”。在上述情况下，库珀对就能“隧穿”过该阻挡层而不会出现分裂，因而这种约瑟夫逊结便起着一种弱超导体的作用。其临界电流——能流过该结的最大超导电流——取决于约瑟夫逊结的厚度，该种超导材料类型和温度的大小。

这种现象被称之为直流（dc）约瑟夫逊效应。在其后的几个月中所作的一些实验证实了这种效应，当时在贝尔电话实验室工作的Philip W. Anderson和John M. Rowell对这一现象进行了观测。与此同时还存在一种交流（ac）效应：在这种现象中。在约瑟夫逊结两端保持的电压使超导电流的振幅随时间呈周期性振荡。

约瑟夫逊结除了在SQUID中的应用外，它们还有许多其他方面的应用。由于它们能快速地从超导状态转换到阻隔状态——仅在一皮秒或二皮秒内——所以它们被用于一些实验型超速数字组件中，其中包括逻辑电路，移位寄存器和模拟-数字转换器。标准实验室还将约瑟夫逊结用来使电压基准保持不变。用某一特定频率的微波来照射约瑟夫逊结可诱发电压级。这些电压级出现于准确地为那一频率的某一整数倍频率的电压。

SQUID除了零电阻和约瑟夫逊效应之外，还利用了第三种量子力学现象：磁通量子化。我们习惯于将量子化看作为以原子尺度出现的某种现象，例如，认为量子化是不连续能级的电子绕核运动时所拥有的专利品。一种类似的效应以某一宏观尺度出现于超导环中。假设有一电流绕超导环流动。该电流便会产生出一个通过该环的磁场。该磁场与超导环所包围的面积的乘积——磁通量——不能取一个任意值，它必须等于磁通量子的整数倍数量。磁通量子非常之小：地球磁场（约0.00005特斯拉）中的一个红血球细胞（直径约为5微米）即大约包含有一个磁通量子。

直流SQUID相当简单。它由两个约瑟夫逊结形成一个超导环组成。给SQUID通电流（加偏压）使库珀电子对隧穿过约瑟夫逊结。然而，超导环的外加磁场却使库珀电子对的流动发生改变，尤其是它改变了两个约瑟夫逊结中每一个结两端的量子力学相位差。同样，相位变化又影响着SQUID的临界电流：磁场的逐渐减少或增加使得临界电流在某一最大值与最小值之间来回振荡。当施加于SQUID的磁通等于通过超导环的磁通量子的整数倍时便会出现最大临界电流；而最小临界电流则对应于磁通量子的半整数倍（施加于SQUID上的磁通与一个闭合超导环内所包含的磁通不一样，它不必是整数值而可以取任意值）。实际上，我们测量的不是SQUID的电流而是其两端的电压，在一个稳定变化的磁场下，其电压亦来回摆动。

这种量子干涉效应给我们提供了一种数字磁力计。每个“数字”代表一个磁通量子。事实上，常规电子仪器也能检测出对应于远远小于一个磁通量子的磁通量变化的电压。SQUID实质上是一种通量-电压变换器，它能将磁通量的微弱变化转换成电压。

当我在坎布里奇大学读研究生时，我的导师Brian Pippard曾提议，叫我使用一台SQ13ID来制造一台高灵敏度的电压表。那个时候，制作约瑟夫逊结的工艺程序还处在萌芽状态，而且无法应用于制造仪器。在1965年初的某一天，我与我的同学Paul C. Wraight在卡文迪许实验室的传统午茶上对这一问题进行了探讨。他提出沉积在一根铌金属线上的一滴融化焊料（在液氦条件下具有超导性的铅锡合金）也许刚好有可能制作一个约瑟夫逊结。他的基本原理在于铌有一层可以表现为一种合适的隧穿阻挡层的天然氧化层。

我们匆匆返回实验室，从一位同事那里要来一根几英寸长的铌金属线，将焊料融化滴一滴到线上，加上一些铅并将其放入液氦中。正如我们所希望的那样，出现了约瑟夫逊隧道效应！Wraight设想首次被验证的事实具有重要的意义。如果这次实验不成功，那么我们可能决不会费心去再试一次。由于这种隧道效应的出现，所以我们将这种器件命名为SLUG。后来我便能够制造一种可测量10飞伏特（10-15伏)的电压表，比常规半导体电压表测量微小电压的能力提高了10万倍。

不用说，SQUID传感器技术的进展已超出了当年我们参与研究时的认识范围。大多数现代化直流SQUID仍遵循着IBM公司Thomas J. Watson研究中心Mark B. Ketchen和Jeffrey M. Jaycox所提出的设计思想。直流SQUID由沉积于硅晶片上的多层薄膜组成。半导体工业的光刻和蚀刻工艺技术按图案加工这些薄膜。这些技术方法能在一块四英寸的晶片上生产出多达400个SQUID。然后将该晶片切割成单个芯片，每个芯片具有一个SQUID。而SQUID本身又由拥有两个约瑟夫逊隧穿结的正方形铌晶片组成。其阻挡层由生长于其中一层金属铌顶部的氧化铝组成，而氧化铝是一种电绝缘材料。

这种SQUID的灵敏度到底如何呢?一个合适的判据是该仪器在一秒钟内能够检测的磁通量最小变化值有关的能量：一般大约为10-32焦耳。这个难于置信的微小能量大约等于在地球重力场中将一个电子提高一毫米所需要的机械能。事实上，已经制造出的最好的SQUID灵敏度比上述灵敏度要高出100倍。这类仪器的测量能力接近于海森堡测不准原理所规定的极限值，而海森堡原理则确定了测量准确度的基本极限。

我还将介绍建立在交流电基础上的SQUID的情况。这种仪器称之为射频（rf）SQUID。因为它被施加了在兆赫范围内振荡的磁通量。这种仪器由超导圈中的一个约瑟夫逊结组成，该圈与一个连结在电容器两端的电感线圈相连。这种设计方案形成了一种所谓的谐振电路，它由射频（rf）电流加以激励。该电路两端的射频（rf）电压振幅随磁通量变化而振荡。

虽然直流SQUID通常较为灵敏，但是制造厂家在生产直流SQUID之前早就在销售射频SQUID了。推测起来，射频SQUID可能比较容易制造，因为每个射频SQUID只需要一个约瑟夫逊结。目前先进的薄膜工艺技术使得人们能够可靠生产大量的约瑟夫逊结。因而，现在销售的大多数SQUID均为直流SQUID。尽管如此，射频SQUID并未从货架上消失掉，因为研究人员发现它们仍然十分有用。

为了利用SQUID非凡的灵敏度，这些仪器几乎总是耦合上一个输入电路。就磁力计而言，这个输入电路加强了SQUID对磁场的灵敏度，常常能使其灵敏度增加100倍。这种所谓的磁通变换器只不过是由一个与SQUID相耦合的超导材料圈组成。由于超导材料圈所包围的面积较之SQUID所能包围的要大得多，所以磁通变换器提高了其磁场灵敏度。一个外加磁场使持续的超导电流在超导圈中不断循环。该电流在SQUID中诱发磁通。有了磁通变换器，SQUID就能获得飞特斯拉（10-15特斯拉）分辨率。一飞特斯拉相当于地球磁场的1/1011。

这种SQUID磁力计的另一种类型则是SQUID梯度计。它能测量两个不同地点磁场值之差，即磁场梯度。梯度计依靠两个按相反方向缠绕的磁通变换圈组成。有一种替代的方法是采用两个相隔较短距离的SQUID力计；然后电子电路从另一个输出中扣除一个输出以确定在这段距离上磁场的变化情况。将这一方法应用于大型磁力计阵列时特别吸引人。在另一种型号中，IBM公司Watson研究中心的Roger H. Koch及其同事们研制了“3-SQUID梯度计”。就这种仪器而言，一个磁力计通道的输出去除掉另外两个磁力计通道上的环境磁场噪声，借此为梯度计产生一个无噪环境。

测量磁场梯度在医疗诊断方面特别有用：人体电流能提供一个随时间变化的磁信号丰富来源。这些微弱磁信号的变化范围从来自大脑的几飞特斯拉到来自心脏的5万飞特斯拉。在SQUID开发出来之前，这类信号过于微弱以至于无法加以研究。此外。由于电梯和汽车的运动，特别是来自电力网系统的60赫兹交流声所产生的磁噪音和地球磁场的波动淹没了人体磁信号。SQUID梯度计能衰减背景噪音，因为这些噪音源通常离患者很远并且往往近于恒定不变。因此，它们仅仅能使SQUID梯度计产生微弱的响应，而这种梯度却对变化的磁场十分敏感。

实际上，一系列SQUID传感器能绘制出人体所产生磁场的空间变化情况。根据这种等高线图，计算机便能重建人体内部产生磁信号的区域。这一程序完全是非侵入的。在过去的20年里，这种阵列中的SQUID数量已经从七个左右增至100多个；最近位于日本印西千叶的超导传感器实验室宣称已制造出由250个通道组成的样机系统。

这类仪器为物理学家提供了关于各种疾病的关键信息。例如，在患有病灶性癫痫的病人中，其大脑中一个相对固定的放电就会触发一次疾病发作。由一个SQUID阵列绘制磁场峰值能准确定出这一放电源。当这一放电源在磁共振成像产生的图像上重合时，放电源便可能与某一变态（例如瘢痕组织）有关。在合适的环境条件下，外科医生就能切去这一变态组织或者用一把“γ刀”——准直γ射线——将其消灭掉。在另一种不同的方法中，人们借助于一种特殊的刺激物引发一种磁响应。例如，在圣地亚哥，生物磁技术公司的Eugene C. Hirschkoff和 Scripps研究所的Christopher C. Gallen使用一个74通道的SQUID系统绘制出一个脑瘤周围大脑皮层对触觉刺激的响应曲线。

另一个人们广泛感兴趣的医疗应用与心脏有关。心律不齐——即不稳定的心搏——起因于连接心房和心室之间阻碍正常心脏信号的虚假电通道。在严重病例中，心律不齐还可能致人于死地。为了治疗这种疾病（采用由一根导管放电的方法）。人们必须准确确定这一通道的位置，这种通道有时需要用一根或多根导管进行长时间的探索。包括哈利法克斯Dalhousie大学的Gerhard Stroink及其同事和埃尔兰根西门子公司及埃尔兰根·尼恩贝格大学的研究人员在内，一些研究小组已经证明SQUID成像能够准确确定放电部位。这样，SQUID就能大大地减少寻找这种反常所需要的时间。

尽管生物磁力测量方面取得了惊人的成果，但是多通道仪的高额费用却使它们无法获得普遍的应用。然而这种技术仍然具有大幅度减少保健治疗费用的潜力。用SQUID给癫痫病灶定位可能要花三个小时，而将电极安放于大脑表面的可选用方法却可能至少持续一个星期。其费用的节省轻而易举就达到5万美元。同样，不用明显损失神经功能就将脑瘤清除掉也避免了患者遭受创伤并且节省巨额康复费用。保险业已开始接受生物磁力测量可以节省费用的看法：有八家保险公司已经偿付患者在Scripps研究所进行的脑瘤术前检查的费用。对于SQUID治疗诊断程序的一般认可今年年末可能实现。

SQUID在许多非医疗性应用场合，如在基础科学和在常规测量方面也起着极其重要的作用。最近SQUID确定出光子质量的上限（光子真要有质量的话：常规理论规定“光子没有质量”）。而测量数据表明光子的质量必定小于10-46克左右。这一上限是在低温实验室实验中已经确定的最精确数据。

SQUID另一个基础性应用是试图检测重力波。相对论预言这类在空间和时间中移动的波在宇宙中应该是大量存在的。正在塌陷的恒星、黑洞和致密天体的其他运动都应使空间在各个方向上发生波动。研究人员们试图采用一根巨大的金属棒来探测这些移动。该棒一般重达五吨并用液氮加以冷却，可使其处于入射重力波所引起的细微径向振动中。当SQUID的磁通量发生变化时检测该棒尾端的位移，其分辨率为10-18米——大约为原子核直径的千分之一。实际上，在全球都部署有若干重力波天线。迄今为止，这些天线并未记录到重力波。但是即将联机的下一代天线（也许具有高出2个数量级的灵敏度）将极有可能检测到重力波。

最广泛使用的SQUID系统可能是一种先进的“磁化率计（suscep-tometier）”。这种仪器是由圣地亚哥量子设计公司制造的，它使科学家们能在绝对零度之上几度到大大超过室温的温度范围内测量试样的磁性质。数百台这种仪器目前已进入到物理学家、化学家、材料科学家和生物学家的工作场所中。

虽然SQUID许多年以来一直在证明其实用性，但是人们对它们的兴趣目前才迅速增加，这要归功于苏黎世IBM公司研究实验室的J. George Bednors和K. Alexander Muller。他们发现了所谓的高温超导体，给他们迅速地带来了该研究领域的第四项诺贝尔奖。其他研究上作者则很快地将其临界温度提高到100K（-173℃）以上。

大众传描媒介将这一突破宣布为发明电灯泡以来（也许仅仅是发明晶体管以来）的最伟大的科技革命。这种宣传预示着一个几乎马上就会财源滚滚的产业的出现。当然，正如所有科技创新一样，进展需要时间。今天依赖于这一突破的可在市场上购买的唯一仪器便是SQUID。

与大多数常规超导体不同，高温超导材料是一些在络合物材料层中被有机化的陶瓷材料。至少对于诸如SQUID之类的仪器来说，最普通的材料是一种钇、钡和铜的氧化物，其临界温度约为90K，以至于这种材料成为了液氮温区的超导体。

由于这些新型超导材料是陶瓷材料，所以它们易于破碎且难于加工。研究工作人员无法像他们使用延展性较好的低温超导材料那样轻易地将其线材加工成形。研究人员已设计出各种方案用它们来制造优质薄膜。在这些方案中，采用高能脉冲准分子激光器的淀积方法已被证明是十分有效的，其原因不只是该工艺过程较为迅速。这种激光脉冲存在于光谱的紫外线区域，其波长一般为248毫微米，它们射到安装于氧气室中旋转着的YBCO目标上，每一个脉冲都使少量YBCO蒸发，形成一种漂亮的玫瑰色蒸汽流。这种材料淀积于附近一块保持在约800℃温度条件下的基片上。薄膜以外延方式生长——换句话说，其晶体结构与基片的结构极为相似——它们都具有正确的化学结构。

除了使它们成为薄膜之外。SQUID制造者们还必须在晶片上形成约瑟夫逊结。研究人员已经创造出许多巧妙的工艺技术在高温超导化合物中形成约瑟夫逊结。IBM公Watson研究中心的Duane Dimos及其同事们已研制出一种特别有效的方法。人们从一块晶体开始，这种晶体通常为钛酸锶，该晶体已被切割开并且被熔合在一起，以产生其晶轴沿某一方向故意的取向错误。这种错位被称为晶粒边界。当YBCO薄膜在基片上以外延方式生长时，它便会重现晶体取向的突变。该晶界大大地削弱了YBCO超导电流承载能力，因而它便起着一个约瑟夫逊结的作用。制造约瑟夫逊结的另一种有效方法需要一种外延夹层：研究工作者将一薄片常规材料抽入两层超导材料之间。

正如其低温类似仪器一样，高温SQUID依赖于磁通变换器来提高其对磁场的灵敏度。完成这项任务的一个简单方法是在与SQUID一样的YBCO层中形成磁通变换器，再增加一个磁通变换器能进一步增强其磁场灵敏度。采用后一种设计方法。贝克利的加利福尼亚大学的Dieter Koelle及其同事们、劳伦斯贝克利实验室和加州Sunnyvale的Conducts公司取得了大约30飞特斯拉的噪音级。德国Julich研究中心的Michael Muck和他的同事使用一个与射频SQUID相连接的类似变换器也达到了24飞特斯拉的噪音级。

应该注意到，SQUID在液氮中工作将决不会取得像其类似仪器在液氦中工作所能取得的较高分辨率。那么这些高温仪器为什么正在产生这样一种轰动呢?以下这种流行的看法是许多年之前由目前在伦赛勒工学院工作的Nobelist Ivar Giaever提出的：液氦跟威士忌酒一样昂贵，而液氮则同牛奶一样价廉。

虽然这种说法或多或少是真的，但是问题的实质在于液氮蒸发较之液氦要缓慢得多。人们不必每隔几天去给真空瓶补充流氦，而是每隔几周才去补充供给液氮。此外。液氦仅在一些大都市才能购买到；在世界上较为偏远地区它是一种无法每隔几天能很快购到的外来物质。因而液氮冷却提供了一种能被人们接受的超导工艺技术。

高温SQUID日益增加的应用前景在地球物理学研究中尤其明显，这种研究常常在一些无法接近的位置进行。这类应用之一是在大地电磁学（“地球磁学”）的研究方面。大地电磁专业人员测量地表下面土地的电阻率以推断地下岩层结构。实质上，来自外层大气的频率极低（0.01至100赫兹）的电磁波一直传送到地球表面。在电磁层或电离层中的带电层上吹送的太阳风产生出这些电磁波，然后由地面将其反射。但是这些电磁波的一部分产生衰减。通过测量这些微弱波动的磁场（使用磁力计）和电场（使用埋置电极）。地球物理学家便能绘制出深度达几十公里的地壳电阻率。根据这一信息，研究人员就能推断出地下水文状况和孔隙度，寻找油或地热能源行踪的有价值线索。在一些辅助技术中，地球物理学家提供磁脉冲并且测量脉冲响应。一些脉冲方法广泛地应用于勘探钻孔以搜寻石油并且有可能确定出埋藏的危险废料。

由液氮带来的方便将很可能促进SQUID系统在医疗卫生事业上的迅速应用。若干研究小组已经使用高温SQUID来获得心磁图以及脑磁图。这种技术的一项令人感兴趣的推广可能有助于胎儿心脏病学。心搏率变异性是内科医生评估胎儿健康情况的一条途径，而心电图则在怀孕第七个月或第八个月之前才能采用。超过这一时期，其信号便会衰减，因为胎儿那时变得与母体产生电隔离。然面，脑磁图却保持不受影响。此外，磁测量的优良立体分辨率使区分胎儿信号与母体信号变得更为容易。科研人员已开始通过将SQUID扫描某一对象来获取磁性图像。这样一种“扫描SQUID显微镜”能够分辨宽度小至几微米的对象。这种技术不仅能用于研究磁性材料而且能用于研究金属和电子电路，金属电子电路在有电流通过时会产生磁场。科学家们还正在研究将SQUID应用于无损检验——比方说，查看飞机上铆固在一起的铝板的腐蚀状况。SQUID测量飞机机壳对某一外加振荡磁场的影响，导电率的变化便揭示出机壳中存在的缺陷。

在这个时候，市场可购买到的最尖端的高温SQUID是“iMAG"。这是单层YBCO磁力计的一种变型。由Conducts公司制造的一种带有电子仪器，真空瓶和探头的完整系统的售价约为一万美元。这种仪器适用性很强、适合于实验室实验以及地球物理学和心磁学研究。

诚然。这类SQUID将决不能取代掉所有场合中使用的类似低温仪器。重力波检测仪和其他需求量最大的应用将会继续需要液氦。然而，液氮型仪器将开拓一系列先前无法实现的测量。它们将使这一灵敏度极高的技术走出实验室和研究性医院而使之走向市场。

【郭忠行/译；郭敏/校】