專利名稱：利用宏觀量子效應(yīng)測量弱磁場的裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于物理領(lǐng)域，涉及一種測量弱磁場的裝置和測量方法，具體地說是一種利用超導(dǎo)約瑟夫遜器件中的宏觀量子效應(yīng)測量弱磁場的裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
目前測量弱磁場的最靈敏的方法是利用直流超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)，它們是由包含兩個超導(dǎo)約瑟夫遜節(jié)的超導(dǎo)環(huán)構(gòu)成，當(dāng)環(huán)中的磁場發(fā)生變化時，SQUID的臨界電流隨之而變，通過測量SQUID的臨界電流人們可以測量磁場的大小。
為了提高測量靈敏度，人們可以在約瑟夫遜節(jié)兩邊加上一個歐姆量級的并聯(lián)電阻，由于SQUID的品質(zhì)因子Q正比于并聯(lián)電阻值，因此品質(zhì)因子Q小小于1(Q＜＜1)，SQUID工作在過阻尼范圍；另一個可以提高SQUID靈敏度的方法是用大的(100微米以上)偶合電感把要測量的信號偶合到SQUID上。這些方法在測量小尺度的量子系統(tǒng)中存在以下兩個問題1、SQUID工作在過阻尼范圍，而阻尼會反饋到量子系統(tǒng)中影響量子效應(yīng)。因此，在量子系統(tǒng)測量中不用并聯(lián)電阻，SQUID的精度降低，從而達(dá)不到要求。
2、偶合電感尺寸遠(yuǎn)大于被測系統(tǒng)的尺寸，由于SQUID的位置分辨率不夠而無法進(jìn)行測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高靈敏度的測量弱磁場的裝置及其測量方法，本發(fā)明利用超導(dǎo)約瑟夫遜器件中的宏觀量子效應(yīng)來測量磁場，測量器件工作在小阻尼狀態(tài)(品質(zhì)因子遠(yuǎn)大于1)，不需要大尺寸的偶合電感。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種利用宏觀量子效應(yīng)測量弱磁場的裝置，其特征在于它包括直流超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)、超導(dǎo)環(huán)路、微波輻射回路和磁場偏置回路，測量超導(dǎo)環(huán)路中宏觀量子狀態(tài)的直流超導(dǎo)量子干涉儀與超導(dǎo)環(huán)路連接；微波輻射回路設(shè)置在超導(dǎo)環(huán)路一側(cè)并用來使SQUID產(chǎn)生共振峰；磁場偏置回路設(shè)置在超導(dǎo)環(huán)路傍并使SQUID和超導(dǎo)環(huán)路工作在不同磁場下或掃描磁場；所述超導(dǎo)環(huán)路是含有三個超導(dǎo)約瑟夫遜節(jié)的超導(dǎo)環(huán)。
一種利用上述裝置來測量弱磁場的方法，其特征在于它利用超導(dǎo)約瑟夫遜器件中的宏觀量子效應(yīng)來測量磁場，包括以下步驟A)將裝置設(shè)置好，保持該裝置的工作溫度小于300mK，并穩(wěn)定在1mK范圍內(nèi)；該裝置的工作溫度最好為10mK。在測量之前應(yīng)對該系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)；B)不加微波，用磁場偏置回路掃描磁場，同時測量SQUID的臨界電流，得到臨界電流隨磁場變化的關(guān)系曲線；C)用微波輻射回路加微波輻射，頻率大致和該位置磁場的兩能級差一致，同時測量SQUID的臨界電流，得到一對共振峰H1與H2；D)引入被測量弱磁場信號，重復(fù)步驟C)，得到另一對共振峰h1與h2；E)比較上述兩共振峰位置變化，得到位移量ΔB，共振峰的共振頻率的變化ΔB就對應(yīng)了磁場的微小變化，從而得到弱磁場的大小。
本發(fā)明利用超導(dǎo)約瑟夫遜器件中的宏觀量子效應(yīng)來測量磁場，工作原理如下本發(fā)明所用的器件是含有三個超導(dǎo)約瑟夫遜節(jié)的超導(dǎo)環(huán)，在300mK溫度下，當(dāng)外加一個磁場時，超導(dǎo)環(huán)中會產(chǎn)生超電流。超電流有順時針和逆時針兩個方向，對應(yīng)于兩個不同的量子狀態(tài)，叫宏觀量子狀態(tài)，這兩個宏觀量子狀態(tài)的能量是隨外加磁場而線性變化的。因此在某一磁場量子狀態(tài)的能量差是一定的。我們再外加一個交變電磁場(微波)，當(dāng)微波頻率和量子狀態(tài)的能量差一致時，量子狀態(tài)會從一個態(tài)躍遷到另一個態(tài)，從而形成一個共振峰。因為能量差和磁場具有一一對應(yīng)的關(guān)系，通過測量共振峰的頻率，我們可以知道磁場的大小。
本發(fā)明測量器件工作在小阻尼狀態(tài)(品質(zhì)因子遠(yuǎn)大于1)，不需要大尺寸的偶合電感，測量準(zhǔn)確、靈敏度高，與同等尺寸的工作在弱阻尼狀態(tài)的SQUID比較，靈敏度度至少提高一到兩個數(shù)量級。
四

圖1是本發(fā)明所述裝置的示意圖；圖2是超電流對應(yīng)的宏觀量子狀態(tài)的能量隨外加磁場而線性變化圖；圖3是不加微波，掃描磁場，同時測量SQUID的臨界電流，得到臨界電流隨磁場變化的關(guān)系曲線圖；圖4是加微波輻射，同時測量SQUID的臨界電流，得到一對共振峰，以及引入被測量弱磁場信號后，得到另一對共振峰的曲線圖。
五具體實施例方式
一種本發(fā)明所述利用宏觀量子效應(yīng)測量弱磁場的裝置，它包括直流超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)、超導(dǎo)環(huán)路、微波輻射回路和磁場偏置回路，測量超導(dǎo)環(huán)路中宏觀量子狀態(tài)的直流超導(dǎo)量子干涉儀與超導(dǎo)環(huán)路連接；微波輻射回路設(shè)置在超導(dǎo)環(huán)路一側(cè)并用來使SQUID產(chǎn)生共振峰；磁場偏置回路設(shè)置在超導(dǎo)環(huán)路傍并使SQUID和超導(dǎo)環(huán)路工作在不同磁場下或掃描磁場。
含有三個超導(dǎo)約瑟夫遜節(jié)(用X表示)的超導(dǎo)環(huán)路，典型尺寸是邊長5～10微米，超導(dǎo)約瑟夫遜節(jié)典型大小是其中兩個節(jié)一樣大為0.8微米，另一個為0.6微米。環(huán)中超導(dǎo)電流有順時針和逆時針兩個方向，它們的能量是外加磁場的函數(shù)。超電流對應(yīng)的宏觀量子狀態(tài)的能量隨外加磁場而線性變化，如圖2，當(dāng)外加磁場為B時，再加一個微波，頻率為ΔE，就能把超導(dǎo)電流從順時針(實線)激發(fā)到逆時針(虛線)狀態(tài)，得到一個共振峰，共振峰的共振頻率的變化就對應(yīng)了磁場在B附近的微小變化。
實施例1一種利用上述裝置來測量弱磁場的方法，它利用超導(dǎo)約瑟夫遜器件中的宏觀量子效應(yīng)來測量磁場，包括以下步驟A)將裝置設(shè)置好，保持該裝置的工作溫度為10mK，并穩(wěn)定在1mK范圍內(nèi)；在測量之前應(yīng)對該系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。
如圖1，用一個SQUID測量超導(dǎo)環(huán)的宏觀量子狀態(tài)，給SQUID加電流偏置，通過測量SQUID的電壓得出SQUID的臨界電流，從而測量出超導(dǎo)環(huán)的宏觀量子狀態(tài)。微波輻射回路是用來產(chǎn)生共振峰的裝置。磁場偏置回路可以使系統(tǒng)工作在不同磁場下或掃描磁場。
B)不加微波，用磁場偏置回路掃描磁場，同時測量SQUID的臨界電流，得到臨界電流隨磁場變化的關(guān)系曲線，如圖3，A點對應(yīng)于圖2中的能量點A，當(dāng)磁場大于A時，逆時針超流量子態(tài)(對應(yīng)于大臨界電流)的能量更小。
C)用微波輻射回路加微波輻射，頻率大致和磁場為B0的兩能級差一致，同時測量SQUID的臨界電流，得到一對共振峰H1與H2，如圖4中實線部分。
D)引入被測量弱磁場信號，重復(fù)步驟C)，得到另一對共振峰h1與h2，如圖4中虛線部分。
E)比較上述兩共振峰位置變化，得到位移量ΔB，共振峰的共振頻率的變化ΔB就對應(yīng)了磁場的微小變化，從而得到弱磁場的大小。
實施例2將步驟A)中的溫度改為300mK，并穩(wěn)定在1mK范圍內(nèi)；其他條件不變，同樣可以得到弱磁場的大小。
實施例3
將步驟A)中的溫度改為200mK，并穩(wěn)定在1mK范圍內(nèi)；其他條件不變，同樣可以得到弱磁場的大小。
實施例4將步驟A)中的溫度改為100mK，并穩(wěn)定在1mK范圍內(nèi)；其他條件不變，同樣可以得到弱磁場的大小。
實施例5將步驟A)中的溫度改為50mK，并穩(wěn)定在1mK范圍內(nèi)；其他條件不變，同樣可以得到弱磁場的大小。
權(quán)利要求
1.一種利用宏觀量子效應(yīng)測量弱磁場的裝置，其特征在于它包括直流超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)、超導(dǎo)環(huán)路、微波輻射回路和磁場偏置回路，測量超導(dǎo)環(huán)路中宏觀量子狀態(tài)的直流超導(dǎo)量子干涉儀與超導(dǎo)環(huán)路連接；微波輻射回路設(shè)置在超導(dǎo)環(huán)路一側(cè)并用來使直流超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)產(chǎn)生共振峰；磁場偏置回路設(shè)置在超導(dǎo)環(huán)路傍并使直流超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)和超導(dǎo)環(huán)路工作在不同磁場下或掃描磁場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用宏觀量子效應(yīng)測量弱磁場的裝置，其特征在于所述超導(dǎo)環(huán)路是含有三個超導(dǎo)約瑟夫遜節(jié)的超導(dǎo)環(huán)。
3.一種使用權(quán)利要求1所述的裝置來測量弱磁場的方法，其特征在于它利用超導(dǎo)約瑟夫遜器件中的宏觀量子效應(yīng)來測量磁場，包括以下步驟A)將裝置設(shè)置好，保持該裝置的工作溫度小于300mK，并穩(wěn)定在1mK范圍內(nèi)；B)不加微波，用磁場偏置回路掃描磁場，同時測量直流超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)的臨界電流，得到臨界電流隨磁場變化的關(guān)系曲線；C)用微波輻射回路加微波輻射，頻率和該位置磁場的兩能級差一致，同時測量直流超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)的臨界電流，得到一對共振峰H1與H2；D)引入被測量弱磁場信號，重復(fù)步驟C)，得到另一對共振峰h1與h2；E)比較上述兩共振峰位置變化，得到位移量ΔB，共振峰的共振頻率的變化ΔB就對應(yīng)了磁場的微小變化，從而得到弱磁場的大小。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用宏觀量子效應(yīng)測量弱磁場的方法，其特征在于步驟A)中，該裝置的工作溫度為10mK。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高靈敏度的測量弱磁場的裝置及其測量方法，該裝置包括直流超導(dǎo)量子干涉儀SQUID、含有三個超導(dǎo)約瑟夫遜節(jié)的超導(dǎo)環(huán)路、微波輻射回路和磁場偏置回路，SQUID與超導(dǎo)環(huán)路連接；本發(fā)明微波輻射回路用來產(chǎn)生共振峰；磁場偏置回路使SQUID和超導(dǎo)環(huán)路工作在不同磁場下或掃描磁場；通過測量SQUID的臨界電流，得到一對共振峰，并引入被測量弱磁場信號，重復(fù)測量得到另一對共振峰，兩共振峰的共振頻率的變化就對應(yīng)了磁場的微小變化，從而得到弱磁場的大小。本發(fā)明不需要大尺寸的偶合電感，測量準(zhǔn)確、靈敏度高，可廣泛適用于物理實驗中用來測量弱磁場的大小。
文檔編號G01R33/035GK1664606SQ200510038568
公開日2005年9月7日 申請日期2005年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月25日
發(fā)明者于揚 申請人:南京大學(xué)