阿德莱德工程师用无结环路把SQUID阵列变成绝对磁力计

发表于《Physical Review Applied》的研究表明，不含约瑟夫森结的超导环路可以模拟SQIF传感器所需的不同环路尺寸，并简化制造。

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南澳大利亚阿德莱德大学（Adelaide University）的研究人员提出了一种更简单的方法，用于构建能够测量绝对磁场的超导量子干涉器件（SQUID）阵列，同时不牺牲其最具吸引力的灵敏度。这项工作由博士生 Ross Monaghan 和 Jonathan Marenkovic 以及该校量子与纳米技术组（QuaNTeG）的副教授 Giuseppe Tettamanzi 完成，已于10月26日发表在《Physical Review Applied》上（第26卷，文章编号044077），全文也可在 arXiv 上获取。

问题所在

SQUID 是由约瑟夫森结隔断的超导材料环路，是现有最灵敏的磁场探测器之一。将许多 SQUID 环路组合成二维阵列，可以得到性能极强的射频传感器。但该校指出，这类器件难以判断磁场何时恰好为零。

超导量子干涉滤波器（SQIF）中的常规解决办法，是有意让各环路面积不相等，使阵列能够作为绝对磁力计工作。研究指出，这一要求与优化每个环路相冲突：改变环路尺寸也会改变其电感以及一个必须精确控制才能获得良好性能的关键设计参数。这种权衡使此类阵列无法发挥全部潜力——作者认为其潜力仅受标准量子极限的限制。该校的公告指出，现有设计可能需要数百甚至数千个尺寸各异的环路。

技术细节

阿德莱德团队让所有环路保持相同尺寸，转而把选定的环路替换为不含约瑟夫森结的"裸"超导段。这些裸环路改变了磁通在电路中的分布方式，使阵列表现得仿佛各环路面积不同。作者称之为"合成面积展宽"，并推导出一个解析公式，将裸环路的排布与等效的物理面积展宽联系起来。

随后，他们制作了多个带裸环路的二维 SQIF 阵列，并在极低温度下运行。研究人员表示，测得的器件表现与理论相符。

Tettamanzi 说："通过引入精心布置的裸环路，我们可以在保持最高灵敏度所需条件的同时实现同样的效果。"

为何重要

如果统一尺寸的环路就已足够，制造商就不必再制作包含大量不同环路几何形状的大型阵列，该校认为这可能使器件更简单、更便宜。该校列出的潜在应用包括脑部监测、更灵敏的射频接收器、低噪声通信以及电磁传感。

后续关注

该校表示，这项技术在商业化之前还需要进一步测试。该概念已提交国际专利申请，旨在提升器件性能和探索新应用的后续研究也已在进行中。The Quantum Insider 于11月2日刊发了该校的公告。