イカ

DC SQUIDは、1962年にブライアン・ジョセフソンがジョセフソン効果を提唱し、1963年にベル研究所のジョン・ロウェルとフィリップ・アンダーソンが^最初のジョセフソン接合を作製した後、 ¹⁹⁶⁴年にフォード研究所のロバート^・ジャクレヴィック、ジョン・J・ラム、ジェームズ・メルセロー、アーノルド・シルバーによって発明されました^{[ 3][ 4 ]。}超伝導ループ内に2つのジョセフソン接合が並列に接続されています。これはDCジョセフソン効果に基づいています。外部磁場がない場合、入力電流は${\displaystyle I}$2 つの分岐に均等に分かれる。超伝導ループに小さな外部磁場を印加すると、遮蔽電流、${\displaystyle I_{s}}$、印加された外部磁束を打ち消す磁場を生成するループの循環を開始し、この外部磁束に比例する追加のジョセフソン位相を生成します。^{[ 5 ]}誘導電流は、${\displaystyle I}$超伝導ループの分岐の1つにあり、反対方向にあるのは${\displaystyle I}$もう一方の枝では、総電流は次のようになります。${\displaystyle I/2+I_{s}}$1つの枝で${\displaystyle I/2-I_{s}}$もう一方の分岐では、どちらかの分岐の電流が臨界電流を超えるとすぐに、${\displaystyle I_{c}}$ジョセフソン接合では、接合部の両端に電圧が発生します。

ここで、外部フラックスがさらに増加し​​て、$\displaystyle \Phi _{0}/2}$磁束量子の半分。超伝導ループに囲まれた磁束は磁束量子の整数でなければならないため、SQUIDは磁束を遮蔽する代わりに、エネルギー的にそれを増加させることを好む。$\displaystyle \Phi _{0}}$電流は今度は逆方向に流れ、流入した磁束の差に抵抗する。$\displaystyle \Phi _{0}}$そして外部フィールドはちょうど$\displaystyle \Phi _{0}/2}$外部磁場が増加すると電流は減少し、磁束がちょうど のときにゼロになる。$\displaystyle \Phi _{0}}$、そして外部磁場がさらに増加すると再び方向が反転します。したがって、電流は周期的に方向を変え、磁束がさらに半整数倍増加するたびに方向が変わります。$\displaystyle \Phi _{0}}$最大電流は、0.5プラス整数倍ごとに変化する。$\displaystyle \Phi _{0}}$そして、0アンペアではすべての整数倍となる。

入力電流が${\displaystyle I_{c}}$この場合、SQUIDは常に抵抗モードで動作します。したがって、電圧は印加磁場と周期の関数であり、$\displaystyle \Phi _{0}}$DC SQUID の電流-電圧特性はヒステリシスがあるため、シャント抵抗、${\displaystyle R}$接合部を横切るように接続することでヒステリシスを解消します（銅酸化物系高温超伝導体の場合、接合部自体の固有抵抗で通常は十分です）。遮蔽電流は、印加された磁束をリングの自己インダクタンスで割った値です。したがって${\displaystyle \Delta \Phi }$の関数として推定できる${\displaystyle \Delta V}$（磁束から電圧への変換器）^{[ 6 ] [ 7 ]}は以下のとおりです。

${\displaystyle \Delta V=R\cdot \Delta I}$

${\displaystyle 2\cdot \Delta I=2\cdot {\frac {\Delta \Phi }{L}}}$、 どこ${\displaystyle L}$は超伝導リングの自己インダクタンスである。

${\displaystyle \Delta V={\frac {R}{L}}\cdot \Delta \Phi }$

このセクションでの議論では、ループ内で完全な磁束量子化が仮定されています。しかし、これは自己インダクタンスの大きい大きなループの場合にのみ当てはまります。上記の関係式によれば、これは電流と電圧の変動も小さいことを意味します。実際には、自己インダクタンスは${\displaystyle L}$ループの値はそれほど大きくありません。一般的なケースは、パラメータを導入することで評価できます。

${\displaystyle \lambda ={\frac {i_{c}L}{\Phi _{0}}}}$

どこ${\displaystyle i_{c}}$はSQUIDの臨界電流です。通常${\displaystyle \lambda }$位数は１である。^{[ 8 ]}

RF SQUIDは、1967年にフォード社のロバート・ジャクレヴィック、ジョン・J・ラム、ジェームズ・E・メルセロー、アーノルド・シルバー、ジェームズ・エドワード・ジマーマンによって発明されました。 ^{[ 7 ]}これは交流ジョセフソン効果に基づいており、ジョセフソン接合を1つだけ使用します。直流SQUIDに比べて感度は低いですが、安価で少量生産が容易です。生体磁気学における最も基本的な測定、極めて微弱な信号であっても、RF SQUIDを使用して行われてきました。^{[ 9 ] [ 10 ]} RF SQUIDは共振タンク回路に誘導結合されています。^{[ 11 ]} SQUIDが抵抗モードで動作しているため、外部磁場に応じてタンク回路の実効インダクタンスが変化し、それによってタンク回路の共振周波数が変化します。これらの周波数測定は容易に行うことができ、回路内の負荷抵抗の両端の電圧として現れる損失は、印加された磁束の周期関数となります。$\displaystyle \Phi _{0}}$正確な数学的記述については、Erné らによる原著論文を参照してください。^{[ 6 ] [ 12 ]}

SQUID の従来の超伝導材料は、純ニオブまたは10% の金またはインジウムを含む鉛合金です。純鉛は温度が繰り返し変化すると不安定になるためです。超伝導を維持するために、デバイス全体を液体ヘリウムで冷却し、絶対零度から数度以内の温度で動作させる必要があります。^{[ 13 ]}

高温SQUIDセンサーは1980年代後半に開発されました。^{[ 14 ]}これらは高温超伝導体、特にYBCOでできており、液体ヘリウムよりも安価で扱いやすい液体窒素で冷却されます。従来の低温SQUIDよりも感度は低いですが、多くの用途には十分です。^{[ 15 ]}

2006年に、アルミニウムループと単層カーボンナノチューブジョセフソン接合で構築されたCNT-SQUIDセンサーの概念実証が示されました。 ^{[ 16 ]}センサーの サイズは数百nm程度で、1K以下で動作します。このようなセンサーはスピンをカウントすることができます。^{[ 17 ]}

2022年にマジックアングルツイスト二層グラフェン（MATBG）上にSQUIDが構築されました^{[ 18 ] [ 19 ]。}

SQUID の非常に一般的な使用例は磁気測定であり、バルク材料の磁化が外部パラメータ (温度、磁場、圧力など) の関数として測定されます。300 mK から 400 K の温度範囲と最大 7 T の磁場での測定を可能にする市販のシステムがいくつか利用可能です^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]。}これらのシステムでは、サンプルはピックアップコイルのセットアップを通過し、ピックアップコイルは SQUID センサーに結合されます^{[ 23 ]} 。このセットアップにより、コイルに対するサンプルの位置の関数として記録された信号にいわゆる双極子関数をフィッティングすることにより、ピックアップコイル内の磁束Φを測定できます。Φ はサンプルの磁気モーメントμに比例するため、正確な比例関係は、既知のモーメント μ _calibを持つ校正サンプルを使用して決定されます。

実際には、ピックアップコイルはグラジオメータ構成（通常は2次）の複数の巻線で構成されており、モーメントではなくその空間微分を測定します。その理由は、環境ノイズ信号はサンプル信号よりも空間的に均質であるため、より良くフィルタリングできるからです^{[ 7 ]}。

SQUIDの極めて高い感度は、生物学研究に理想的です。例えば、脳磁図（MEG）は、SQUIDアレイからの測定値を用いて脳内の神経活動を推測します。SQUIDは、脳から発せられる信号で関心のある最高時間周波数（kHz）よりもはるかに高い取得レートで動作できるため、MEGは優れた時間分解能を実現します。SQUIDが使用されるもう1つの分野は、胃の微弱な磁場を記録する磁気胃図です。SQUIDの新しい応用例として、経口投与された薬剤の経路を追跡する磁気マーカーモニタリング法があります。臨床環境では、SQUIDは心臓の磁場を検出して診断やリスク層別化を行う磁場イメージング（MFI）に心臓病学で使用されています。

例えば、SQUIDは磁気共鳴画像法（MRI）の検出器として使用されています。高磁場MRIでは1～数テスラの歳差磁場が用いられますが、SQUID検出MRIではマイクロテスラ範囲の測定磁場が用いられます。従来のMRIシステムでは、信号は測定周波数（すなわち歳差磁場）の2乗に比例します。周波数の1乗は常温でのスピンの熱偏極に由来し、2乗はピックアップコイルに誘起される電圧が歳差磁化の周波数に比例することに由来します。しかし、同調されていないSQUIDによる前偏極スピンの検出では、NMR信号強度は歳差磁場に依存しないため、地球磁場程度の極めて弱い磁場でもMRI信号を検出できます。SQUID検出MRIは、高磁場MRIシステムに比べて、システム構築コストが低いことや小型であることなどの利点があります。この原理は人間の四肢の画像化で実証されており、将来的には腫瘍スクリーニングへの応用も期待されています。^{[ 24 ]}

SQUIDの最大の用途の1つは、超伝導遷移端センサーの読み出しです。現在、遷移端センサーに結合された数十万個の多重化されたSQUIDが、宇宙マイクロ波背景放射の研究、X線天文学、弱く相互作用する質量のある粒子で構成される暗黒物質の探索^{[ 25 ]}、およびシンクロトロン光源での分光のために展開されています。

別の応用例としては、液体ヘリウムに浸したSQUIDをプローブとして使用する走査型SQUID顕微鏡がある。SQUIDセンサーのサイズが小さくなるにつれて、 AFMプローブの先端に取り付けることができるようになった。このような装置では、試料表面の粗さと局所的な磁束を同時に測定することができる。^{[ 26 ]}

超伝導技術の発展に伴い、石油探査、鉱物探査、^{[ 27 ]}地震予測、地熱エネルギー調査における SQUID の使用がますます広まっています。また、重力波の検出など、さまざまな科学的応用における精密な動きセンサーとしても使用されています。^{[ 28 ]}一般相対性理論の限界を検証するために、グラビティプローブ B に搭載された 4 つのジャイロスコープのそれぞれに SQUID がセンサーとして使用されています。^{[ 1 ]}量子限界に近い SQUID アンプと呼ばれる高度な SQUID は、ワシントン大学のアクシオン暗黒物質実験(ADMX) の基礎となっています。アクシオンは冷たい暗黒物質の有力な候補です。^{[ 29 ]}

RFバイアスDC SQUIDを用いて、動的カシミール効果を初めて観測した。^{[ 30 ] [ 31 ]}

超冷却ニオブ線ループから作られたSQUIDは、 D-Wave Systems 2000Q量子コンピュータの基盤として使用されている。^{[ 32 ]}

海上哨戒機に搭載される磁気異常探知機（MAD）として対潜水艦戦で使用するための潜在的な軍事用途が存在する。^{[ 33 ]}

SQUIDは、SQUIDセンサーの高い磁場感度とマグネタイトナノ粒子の超常磁性特性を利用した技術である超常磁性緩和測定法（SPMR）に使用されます。^{[ 34 ] [ 35 ]}これらのナノ粒子は常磁性であり、外部磁場にさらされるまでは磁気モーメントを持たず、外部磁場にさらされると強磁性になります。磁化磁場が除去されると、ナノ粒子は強磁性状態から常磁性状態に減衰し、その時定数は粒子のサイズと外部表面に結合しているかどうかに依存します。SQUIDセンサーによる減衰磁場の測定は、ナノ粒子の検出と位置特定に使用されます。SPMRの応用例としては、癌の検出などが挙げられます。^{[ 36 ]}