超导量子干涉器件对磁通量是这样的灵敏，以致它能绘制出人脑中产生的微弱磁场分布图，能检测出引力波探测器极细微的运动。
?美国加州巴介地区的一个孤立仪器记录了地球磁场的微弱波动，提供了地热位置有价值的信息。
?一台噪声极低的放大器探测出了氯核聚集中骚动自旋产生的电噪声——核自旋噪声的第一次观测。
?放在液氨中的超导梯度计测量了人脑产生的微弱变化的磁场，极精确地测定了病灶性癫痫伴随的放电源位置。
?放在斯坦福大学真空室里，重4800公斤，冷却到4.2 K的铝棒，作为世界上最灵敏的引力辐射监测器在工作。
在这些显然不同的测量里，有一点是共同的，即它们全是用超导量子干涉器件制成的。超导量子干涉器件，即SQUID，是由一个或两个约瑟夫逊结制成的。
工作温度在几K的低温，它是一个灵敏无比的磁通量检测器。把它和相应的线路配合，我们就能进行各种物理参数的灵敏测量。包括电压、电阻、磁场梯度、磁化率和位移。的确，SQUID在测量这些物理量方面的灵敏度，使其他情况下不能期望做的很多实验变得可能。
第一种型式的SQUID，即双结或直流超导量子干涉器件DC SQUID是1964年出现的，它是低温物理学家广泛运用的仪器，1970年出现了单结或射频超导量子干涉器件RF SQUID，市场上可以买到。因此，比DC SQUID应用范围广，特别适合没有低温实验室的非专家所采用，然而到70年代中期，DC SQUID蕴藏的灵敏度被挖掘出来，它比RF SQUID更高，随着薄膜技术时代的到来，使我们制造双结比单结更容易，导致DC SQUID的广泛发展。
超导电性
由巴丁，库柏、施里弗建立起来的超导电性的微观理论向我们指出：在超导转变温度以下，典型值为几K，超导材料中的一些自由电子结合成对。每个“库柏对”由两个反向自旋的电子组成，没有外加电流和磁场的情况下，它们的动量大小相等，方向相反，因此它们的净自旋和净动量二者皆为零，这个电子对归结为宏观波函数描述的简单宏观量子态：
ψ(r，t)=1ψ(r，t)1efΦ(r，t)
相位Φ(r，t)在整个超导体内是相干的，因此超导电性是一个宏观量子现象。
冷凝物长程序有许多重要的结果。第一：它产生无限电导性，在超导环中感应的电流是由库柏对传递的，且是永恒的。然而由这个电流产生，并通过环的磁通不能取任意值，而是按通量量子单位Φ0量子化的。Φ0是普朗克常数与库柏对电荷之比：即h/2e或约为2 ×10-15Wb。因此闭合通量Φ是通量量子的整数倍：Φ'=nΦ0，n=0，1，2，…。通量量子化现象是宏观波函数的另一结果：ψ(r，t)单值要求意味着：相位Φ(r，t)沿环绕一周必须准确地变化2xn。
长程序相位相的第三个结果是约瑟夫逊隧道效应。这是约瑟夫逊1962年提出的。他认为库柏对能通过隧道穿过用薄绝缘阻挡层分开的两块超导体，在穿越的过程中保持两块超导体间的相位相干。约瑟夫逊指出：在结两边的相位差δ与流过阻挡层的超导电流I有关，它的关系是sinδ=I/I0，这里I0是临界电流。也就是结能承受的最大超导电流。当外加电流超过临界电流时，在结两端就产生电压V，相位差δ随着时间按dδ/dt=2xV/Φ0规律增加。
通量量子化和约瑟夫逊隧道效应是SQUID的重要组成部分。
直流超导量子干涉器件DC SQUID
罗伯特 · 杰克莱维克（Robert Jaklevic）等人是第一个证明两个并联的约瑟夫逊隧道结之间的量子干涉，如图1a所示。当改变通过超导环的磁通Φ时，他们发现：两个结的临界电流振荡，其周期等于通量量子Φ0。这种振荡来自两结上宏观波函数间的干涉。正像光学实验中两个相干光束间的干涉引起明暗条纹一样。“超导量子干涉”现象形成整个技术的基础。
在DC SQUID的传统工作方式中，它的电流电压特性必须是不滞后的，我们用一电阻极小的外加分路装置来保证这一点。当通过SQUID的通量变化时，电流电压特性在两个极值之间平稳地振荡，如图所示。因此，当SQUID用一固定电流偏置时，其两端电压就随外加通量周期地变化，如图1c所示。我们通常给器件工作的通量偏置约为(2n+1)Φ0/4，在所加的通量下，电压几乎是直线变化的。
因此，我们实际上把SQUID看作为一个通量电压转换器，它把磁通的变化转换成电压的变化，后者容易用一般电子学的方法检测出来。然而我们常常要求磁通的必威在线网站首页网址 范围大大超过几分之一个磁通量子。在反馈电路中，我们通常把SQUID用作零值检测器。在这种方式中，放大外加磁场在SQUID. 两端产生的电压，转变成通过与SQUID耦合线圈中的电流，产生大小相等，方向相反的磁通（为了避免漂移和电子线路中的低频噪声，实际上我们加到SQUID上的是交流磁通，放大器件上产生的交流电压）。用这种方法，我们不仅能检测比磁通量子Φ0小得多的磁通变化，而且能测量相当于很多磁通量子的外加磁通。通量锁定SQUID的频率响应典型范围是从零到几十赫兹。
超导量子干涉器件的应用
很多领域的科学家把BF和DC SQUID有成效地用到各个方面。SQUID的最早应用之一是测量微小电压。最近Hilbert和我研制出一种用DC SQUID作的射频放大器，工作频率高达100 MHz，甚至更高。在一种方案中，我们用和输入线圈串联的电容器来调谐输入电路，在93 MHz时，得到的增益约为18 db，噪声温度TN约为2 K。对于调到信号频率，有相当高Q值的放大器，理论指出：可达的最低噪声温度是量子极限放大器的噪声温度。它的噪声温度TN是hf/k · In2。
在很多实际应用中的SQUID是浸泡在温度为1.0 ~ 4.2 K的液氦4中。这种系统有时不用液氮，而用专门设计的纤维玻璃低温恒温器，它用多层超绝缘材料——渗铝聚酯薄膜——来降低辐射损耗，使之达到令人满意的水平。这样的低温恒温器使我们能使用器件几星期甚至几个月无须补充液态氦。现在美国国家标准局和斯坦福大学正在研制一种低温冷却器，它能在几K的低温下连续工作，因而大大扩展了SQUID和其他超导器件的应用范围。
SQUID能作的，以实验室为基地的测量包括：微小样品在很宽温度范围内的磁化率，超导体中准粒子电荷不平衡的测量，核磁和四极谐振的检测，噪声测温技术等，它是用噪声测量来决定温度的。
然而SQUID长期来限制在低温实验室，而信号源不是低温的应用。一个日益重要的领域是生物磁学，研究人员用SQUID来研究心脏和大脑产生的磁场，用来探测眼睛的运动，甚至用来探测分叉神经产生的磁脉冲。这是可以举出的几个例子。另一个重要领域是地球物理学——大地电磁学、岩石磁学和古石器磁学。SQUID在相当大规模实验中也有运用，包括引力波天线，磁单极探测器和广义相对论的定轨陀螺实验。为了说明这些应用，我们选择了两个“非致冷”的例子——生物磁学和引力波天线。
生物磁学
在麻省理工学院弗朗西斯 · 毕特（Francis Bitter）国立磁实验室工作的戴维 · 科恩（David Cohen）等人，当他们测量在磁屏蔽室里受检人的心磁图时，第一个用SQUID磁强计来观察从生物体来的磁信号。在以后的16年中，研究人员研究了从活体中发出的各种磁信号。除了心磁学外，研究的主要领域是神经磁学，也就是人脑神经元产生的磁场。
生物磁学信号是微弱的，范围大约从心脏的100微微特斯拉（tesla-MKS制磁通密度单位）小到脑的100毫微微特斯拉。虽然当今SQUID的噪声电平实际上低于这个值，但环境噪声势必要高些。在典型的实验室里，电动机、电梯、电扇等等在1 Hz频率上产生的磁噪声高到10毫微特斯拉/H1/2。消除这些背景噪声的要求是发展这些梯度计的动力。
迄今很多测量利用二阶轴向梯度计，检拾环应放在尽可能靠近受检人，以防拾取杂散磁场。因此我们能有效地测量受检人产生的磁场，而大大地衰减背景波动。降低背景噪声的另一个重要方法是把受检人和传感器放在屏蔽的房间里，它的壁用导磁率或导电率高的材料制成，后者产生涡流屏蔽。
在所述的生物磁学测量中，我们将集中在神经磁学方面。它是美国和欧洲很多实验室研究的目标。在这个领域里的研究分为两个主要方面，即诱发反应和自发活动，前者是用电、听觉或视觉信号刺激受检人。
诱发反应技术定位源的能力是由纽约大学罗梅涅（Romeni）等人关于听觉皮层中对纯音的反应实验证明的，纽约大学研究组制造了四个不同纯音，运用一个磁梯度计在整个头皮大约40个点上测了对每个纯音的反应。他们发现：对每个纯音的磁场空间分布相应于头皮下电流偶极子或小电流元产生的空间分布。
自发磁活动的一个重要例子是病灶性癫痫，反应癫痫发作的异常脑组织疾病限制在一个小区域内，该区域叫癫痫病灶。病灶中的神经元不时地产生大量的同步放电，它来自病灶或局部的发作。一个可能的治疗方法是找出放电源进行外科切除，显然，这要求精确地定位。很多病人在发作间隙表现为单一的、无规律发生的电磁波峰。
加州大学的洛斯 · 安格莱斯（Los Angeles）等人用磁梯度计研究了17个有病灶性癫痫的受检人证明：我们能十分准确地测定癫痫病灶位置。其中9个受检人波峰似乎来自单一源，而其余的患者看来是多处源。
洛斯 · 安格莱斯小组在受检人头的每边测量了60个地方波峰伴随磁场的垂直分量。在每个地方他们至少测量了20个波峰的时间演变。并平均了所得的结果。然后他们画出了图2所示的图，给出了间隔为4个毫秒的磁场。图2a的场分布相当于所示位置的电流偶极子，而图2b是16 ms后测得的，相当于电流偶极子与第1个位移了约1厘米，这些结果表明：第一个放电触发了第二个，图的C和D部分表示a和b中偶极子以后的发展。注意：极性反向了，两个电流偶极子大约皆在头皮下3厘米处。
在试图把这些电流偶极子与脑的结构特点联系起来时，洛斯 · 安格莱斯研究组在磁梯度计测量给出的水平上又获得了X射线断层摄影术。他们发现两个电流偶极子在瘢痕组织区域边缘上，它的存在会干扰附近的神经元，足以诱导它们间歇地放电。
在这两个例子中，我们有几点要强调：最低限度，我们可把磁场源近似地表示为电流偶极子，并能把它定位到几毫米内，这种研究方法完全是“非接触”式的，相比之下，如果用电的方法获得同样的结果，一般我们必须在脑的表面放上电极。
除了这里介绍的研究外，神经磁学在研究其他疾病像精神分裂症，帕金森氏病和阿尔茨海默氏病，以及检查这些疾病和其他疾病的治疗效果方面有潜在的应用价值。
引力波探测
现在世界上有12个以上的研究小组致力于引力辐射的探测，这些研究小组专门寻找引力辐射脉冲，这是理论上预言的塌缩恒星的放射。地面天线有两种型式：韦伯棒探测器和激光干涉仪。我们这里只涉及第一种，它是一个大的、随意悬挂的棒，通过的引力波将引起纵向振荡。因为引力辐射是很微弱的，预计的振幅是很小的，很多研究小组正在运用SQUID来探测它。
斯坦福大学的引力波天线是一个长3米的铝棒，重4800千克，温度保持在4.2 K的环境里。棒纵向振荡基本模式的频率ωn/2π是842 Hz，品质因素为5×106。用图3所示的传感器来探测纵向运动，一个圆形铌膜的四周被夹紧在棒的一端，两边装有铌线做的平面螺旋线圈。两个线圈相互并联，并和SQUID输入线圈相联，整个电路是超导的。持续的超导电流在两个螺旋线圈形成的闭环中循环，伴随的磁场对膜片施加一个回复力。以致我们用调节电流的方法可以调整膜片的谐振频率，使它等于棒的频率。棒的纵向振荡引起膜片相对于两个线圈位置的振荡；因此调制了它们的电感。由于磁通量子化的结果，储存的一小部分超导电流转移到SQUID的输入线圈中去。SQUTD用通常的方法来探测它。
现今斯坦福大学天线的均方根应变灵敏度<(δl)2>l/2/l为10-18。这里l是棒的长度，δl是它的纵向位移。这种惊人的灵敏度受棒的热噪声限制，但对探测我们自己星系中的事件还是足够的。因为这样的事件是稀罕的。但对大幅度地提高灵敏度有强烈的愿望。
假如捧能充分地冷却，应变分辨率将仅受棒的零点漂移的限制，且可达3×10-21左右。乍看起来，我们可能会认为必须把棒冷却到不近情理的低温来达到这个量子极限。因为842 Hz频率相当的温度hωα/kB约为40 nk。然而结果证明我们能使天线的有效噪声温度Teff比棒的温度低得多。假如引力信号以脉冲长度τB的形式和衰减时间为Q/ωα的天线相互作用。因此，有效噪声温度近似等于捧的温度与脉冲长度的乘积除以衰减时间Teff≈τBωαT/Q。因此，我们用大大提高棒的谐振Q值来使有效噪声温度大大低于棒的温度。为了达到这个量子极限，即棒的能量hωα大于有效热能kB· Teff，我们将必须把温度T降低到Qh/kBτB以下。当品质因素Q为5×106，脉冲长度τB为1 ms时，大约是40 mk。利用大的稀释致冷机，我们能合理地期望把天线冷到这个温度。
不必说：检测量子极限天线的运动需要量子极限传感器。这个要求是发展超低噪声DC SQUID的主要动力。现存能与1 μH电感有效耦合的SQUID放大器，当工作在液氮 - 4温度范围时，差不多与量子极限差两个数量级。依照噪声能量方程式，假如我们把这种器件冷到，譬如说40 mk，适当地缩小它的尺寸，我们可望达到量子极限。有两个条件需得满足：分路电阻焦耳热量升高的温度不得过高于储藏器的温度，棒在1 KHz谐振频率上的噪音必须忽略。伯克莱小组的初步实验指出：第一个问题是不严重的，但第二个问题可能是严重的。然而有理由相信：噪声温度在1 KHz时接近量子极限放大器，在最近的将来是可以得到的。
[Physics Today，1986年3月]