磁学性能测量讲解

超导量子磁强计的操作
控制软件的启动和使用（方法）
操作系统：纯DOS系统 (2002.03.15) 控制软件的位置：C:\MPMSR2\*.* 控制软件的名称：MPMSR2.EXE 控制软件的启动：键入MPMSR2，执行。 数据文件的位置：D:\DATA\个人目录\*.* 测量程序的位置：D:\SEQ\个人目录\*.*
2、每个样品磁化强度
3、主要应用于物理、化学、 材料、地质、生物等领域。
SQUID 4
MPMS-7型超导量子磁强计介绍
内部示意图
磁体线圈及磁场 变温(抽气)控制系统
样品提拉系统 信号检测系统 预真空清洗系统 氦液面(探测)传感器
运行 1
超导量子磁强计的操作
超导量子磁强计的运行（条件）
1、使用液氦
甚至地磁场可明显地影响Ic。即随着磁场的加大临界
电流IC逐渐变小。
交流约瑟夫逊效应
实验证明，当结区两端加上直流电压时，结区会出
现高频的正弦电流，其频率正比于所加的直流电压 ，即

f = KV
式中 K=2e/h=483.61012Hz/V。
根据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁 波。可见超导隧道结在直流电压作用下，产生交变
超导量子干涉（Super Conducting Quantum Interference Device）磁强计，是利用约瑟夫森 （Josephson）效应设计的极敏感的磁传感器
特点 灵敏度极高：可达10-14~10-15T，比灵敏度较高的光 泵式磁敏传感器要高出几个数量级；是目前为止检 测灵敏度最高的磁敏传感器。
SQUID 1
MPMS－7型超导量子磁强计介绍
MPMS只是超导量子磁强计的一种
MPMS－7
最大磁场：7特斯拉
Syste m Measureme nt Propertie s Magneti c
主要用途：
1、通过变温直流磁化曲线和 变场磁滞回线探测样品的磁性， 主要适用于较弱磁性的块材样 品、薄膜样品、粉末样品、纳 米材料、超导材料等。
测量范围宽：可从零场测量到几kT；
频带宽：响应频率可从零响应到几kHz。
测量原理
绝缘层在1nm量级以保 证量子效应显著 “弱”超导体
电子对通过超导的约瑟夫森结中势垒隧道而形成超导电流 的现象叫超导隧道效应，也叫约瑟夫森效应。
直流约瑟夫逊效应
约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为超 导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应
总容量：56 升； 初次冷却：100 升； 液氦的自然蒸发：3 升 ～ 5 升/天（5 K时）
2、电力要求
交流（2205 %）V
3、环境要求
温度（< 30 C）、湿度（< 80 %）
样品安装 2
超导量子磁强计的操作
• 磁性测量样品的安放原则
9 mm 6 mm
1、样品尺寸尽量小 2、样品在磁场方向对称 3、样品在径向居中 4、刚性固定
Байду номын сангаас
导体上由两个超导隧道结而构成的超导环。超导
环中存在超导量子干涉效应，测量时用直流电流
进行偏置，如图所示。
I
C1 IA
A
1
IB B
E
C2
2
DC SQUID构成示意图
若在与环面相垂 直的方向施加一 外磁场，则流经 双结超导环的最 大超导电流既是 每个超导结结区 所穿透的磁通量 的周期函数，也 是超导环所包围 的磁通量的周期 函数。两者的周 期都是一个磁通 量子。通常称之 为双结量子干涉 效应
构成类型
SQUID磁强计一般由SQUID、压差密度计和超 导磁场构成。
超导量子干涉器件有两种类型：
射频超导量子干涉器（RF SQUID） 直流超导量子干涉器（DC SQUID）
（一）RF SQUID
射频超导量子干涉器含 有一个超导隧道结的超 导环，在超导环中存在 超导量子干涉效应。测 量时，采用射频电流进 行偏置，其构成形式如 图所示。
电流，辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫 逊效应。
磁通量子化
在小超导环中，电流能够持 续流动，但由周期性边界条 件的限制，只有某些分立的 状态能够存在。电流的量子 化使得磁通也必将是量子化 的。Φ=nφ0 φ0—磁通量量子，
测磁原理
超导结临界电流随外加磁场而周期起伏变化的原理,完全 可用于测量磁场。例如,若在超导结的两端接上电源,电压 表无显示时,电流表所显示的电流是为超导电流;电压表开 始有电压显示时,则电流表所显示的电流为临界电流IC,此 时,加入外磁场后,临界电流将有周期性的起伏,且其极大 值逐渐衰减,振荡的次数n乘以磁通量子φ0,可得到透入超 导结的磁通量φ=nφ0。而磁通量和磁场H成正比关系,如 果能求出φ,磁场H即可求出。同理,若外磁场H有变化,则 磁通量亦随变化,在此变化过程中,临界电流的振荡次数n 乘以φ0即得到磁通量的大小,亦反映了外磁场变化的大小。 因而,可利用超导技术测定外磁场的大小及其变化。
超导环
RF 振荡器
CT RT
采用交流偏置,将一射频磁场耦合到超导环上，在外磁通 作用下,测量超导结产生电动势。
偏置的目的是使超导结周期地达到临界状态,使环外磁通 以量子化的形式进入环内，从而在超导环内的超导电流产 生周期变化，这样在结上产生周期电动势，实现磁测。
（二）DC SQUID
直流超导量子干涉器（DC SQUID）是在一块超
此时约瑟夫森结与一块超导体相似，结上不存在任 何电压，即流过结的是超导电流。但一旦超过临界 电流值Ic，结上即出现一个有限的电压，结的性状 过渡到正常电子的隧道特性。
IC—H 特性
Ic 20
10 Ф=0
0
1
2
3
4
超导结的Ic-H曲线
5
6
H
约瑟夫逊的直流效应受着磁场的影响。临界电流随
外磁场周期起伏变化。而临界电流IC对磁场亦很敏感，
超导量子干涉磁强计
汪青

• 经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能 量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如 骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也 能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停 住，然后退回去。量子力学则认为，即使粒子能量小于阈 值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一 些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应 （quantum tunneling）。可见，宏观上的确定性在微观上 往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并 不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特 定的条件下宏观的隧道效应也会出现。