铌基超导量子干涉器件噪声机理及研制关键技术研究

Superconducting Quantum Interference Devices (SQUID) is the most sensitive magnetic sensor known. It can be used to detect any physical quantities that can be converted to magnetic flux, e.g., magnetic fields, current and so on. SQUID can be used in many applications such as bio-medical, nuclear magnetic resonance, geophysical fields. The main goal of this project is to design and fabricate the ultra-sensitive SQUIDs. The key scientific problem is to understand the noise theory as well as its suppression technology of the SQUID. We plan to design and fabricate Josephson junctions, resistors, inductances and capacitances, which consist of SQUID, in conjunction with numeric simulations and experiments to study the source and physical mechanism of the SQUID noise. The SQUID design and fabrication technology will be studied and the noise measurements will be carried out by using home-made readout electronics in a well-shielded environment. The innovation of this project is the original design of the SQUID, i.e., SQUID bootstrap circuit (SBC) and weakly-damped SQUID. Besides the original design, the SQUID will be fabricated in our own superconducting process facilities. Our study will fill the gap in the ultra-sensitive SQUID and provide totally autonomous and domestic superconducting devices for the limit of detection fields.

超导量子干涉器件（SQUID）是已知最为灵敏的磁探测器件，可以探测磁场、电流等其他一切可以转化为磁通的物理量，在生物医学、核磁共振、地球物理等领域有广泛的应用。设计和研制具有极限灵敏度的SQUID是本项目的主要研究目标，其关键科学问题在于深刻理解SQUID噪声机理及抑制方法。本项目将通过数值模拟与实验验证相结合的方式，对SQUID中各单元器件，例如约瑟夫森结、电阻、电感、电容等进行设计与制备，揭示SQUID噪声来源及物理本质；攻克SQUID设计和制备技术，研发并构建SQUID测试专用电路及弱磁屏蔽环境。本项目的创新之处在于完全基于原创的SQUID设计方案，例如SQUID自举电路（SBC）、欠阻尼SQUID等，并利用自有超导工艺平台，开展极限灵敏度SQUID器件的研制，填补了我国在自主极限灵敏度SQUID方面的空白，也为我国的极限探测提供了自主、国产的超导器件解决方案。

超导量子干涉器件（SQUID）是已知最为灵敏的磁探测器件，可以探测磁场、电流等其他一切可以转化为磁通的物理量，在生物医学、核磁共振、地球物理等领域有广泛的应用。但是，我国在SQUID研究方面长期落后于西方国家，而且受《瓦森纳协定》影响，高灵敏度SQUID对我国禁运。本课题将面向高灵敏度SQUID需求，开展自主SQUID研制，主要研究内容包括：SQUID噪声机理研究；SQUID设计和制备工艺研究；SQUID读出电路研究。经过3年的研究，取得的重要研究成果总结如下：.提出SQUID+读出电路一体化创新设计方案，通过分析整体噪声特性，阐明了读出电路，特别是直读电路中SQUID与读出电路的噪声匹配问题。在对SQUID及读出电路噪声机理的深刻理解和原创性SQUID设计方案基础上，全面攻克并掌握了SQUID制备工艺，实现了工艺自主化。借助于不断完善的超导工艺平台，形成了标准的SQUID工艺流程，成功制备了SQUID磁强计、SQUID梯度计等系列器件，并实现了实用化验证，性能达到国际先进水平。本课题实现了预期成果，编制SQUID标准工艺文档一套，自主SQUID噪声性能达到3 fT/Hz1/2，已发表SCI论文3篇，培养研究生2名。.高性能SQUID器件的研制成功，代表我国已掌握了核心超导器件的设计、制备到应用的整套研发能力，形成了具有完全自主知识产权的器件研制技术，弥补了自主高性能超导磁传感器的空白，打破了长期受制于人的技术封锁，为生物磁探测、低场核磁共振成像、地球物理等应用领域奠定了坚实的基础，并预期在极高灵敏度探测、量子信息处理、量子计量等前沿基础研究和国防建设领域可发挥不可替代的作用。