什么是超导量子干涉器件（SQUID）？

2026.02.27

超导量子干涉器件（SQUID）是一种利用超导、约瑟夫森效应和磁通量子化检测极微弱磁场的传感器。它能够测量脑磁、材料磁化和地磁等普通磁传感器难以检测的信号。

SQUID的基本原理

材料低于临界温度后进入超导状态，电阻消失并排斥磁场。两个超导体之间夹有薄绝缘层时形成约瑟夫森结，库珀对可通过量子隧穿流过势垒。

超导环中的磁通以磁通量子Φ₀＝h/2e为单位变化。外部磁场改变穿过环的磁通时，多个约瑟夫森结中的超导电流发生干涉，使输出电压呈周期性变化。

DC SQUID在超导环中使用两个约瑟夫森结，灵敏度高，常配合磁通锁定环进行线性测量。RF SQUID只使用一个结，通过射频谐振电路读出，结构较简单，但电子学和灵敏度特性不同。

低温超导SQUID通常使用铌，需要液氦或低温制冷机。高温超导材料可在液氮温区运行，冷却更容易，但晶界、噪声和器件一致性仍是重要课题。

医学领域可用于脑磁图和心磁图；资源勘探和地球物理领域可检测微弱磁异常；材料研究中可测量磁化率、超导转变和纳米磁性。SQUID也用于精密电流标准、低温物理和量子计算读出。

热噪声、1/f噪声、磁通俘获、振动和外部电磁场都会降低测量稳定性。系统通常需要磁屏蔽、低噪声电子学、稳定的冷却和适当的传感器—样品距离。

小型制冷机、多通道阵列、薄膜工艺和集成读出电路的发展，正在推动SQUID从大型研究设备向更易用的检测系统扩展。

SQUID通过超导环中的量子干涉把极小的磁通变化转换为可测电压，是目前灵敏度最高的磁传感技术之一。应用时需要同时设计器件、冷却、屏蔽和信号处理。