초전도 양자 간섭 장치

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SQUID(Superconducting Quantum Interference Device, 초전도 양자 간섭 소자)는 매우 민감한 자력계로 극히 작은 자기장을 측정하는 데 사용되며 조셉슨 접합(조지프슨 효과)을 포함하는 초전도 루프에 기초한다. 일반적으로 SQUID에 의해 측정가능한 자장의 세기는 10^-15 T 정도이고, 며칠동안 평균을 측정할 경우 5*10^-18 T 까지도 측정할 수 있다. 또한 측정시의 잡신호(noise)는 3fT·Hz^-½수준으로 매우 낮다. 간단한 비교를 위하여 예를 들자면, 일반적인 냉장고의 자석은 0.01 테슬라 (10^-2 T)이며 동물 신체내에서 발생되는 약한 자기장은 10^-9 T에서 10^-6 T까지이다. 인체에서 나오는 자기신호의 크기는 심장에서 10^-11 T 정도이고, 뇌의 경우 10^-12 T ~ 10^-13 T 정도로 작다. 척추의 경우는 10^-14 T 로 매우작은데 이들 신호 모두 SQUID로 측정가능하다.

근래에 발명된 SERF 원자 자력계는 더욱 민감하지만 SQUID에 비해 크기가 거대하며 전력이 많이 든다. 수십 년간 SQUID 센서는 매우 작은 자기장을 측정하는 유일한 방법이었다.

SQUID 역사와 설계

SQUID에 2가지 응용분야가 있다. : 직류 (DC) 와 교류 (RF). 교류(RF) SQUID는 오직 하나의 조지프슨 효과(초전도 터널 효과)의 장치로 동작하고, 만드는데는 더욱 저렴하지만 감도는 떨어진다.

직류(DC) SQUID

직류 SQUID의 모형도. 전류 $I$ 가 이 SQUID로 들어가서 두갈래로 갈라지는데 각각의 전류를 $I_{a}$ 와 $I_{b}$라 하자. 각각의 길에 조지프슨 접합이라는 얇은 막이 있다. 이는 2개의 초전도영역으로 나뉜다. $\Phi$는 두개의 DC SQUID 루프를 관통하는 자속을 의미한다.

SQUID의 전기회로도 : I_b는 바이어스 전류이고, I₀는 SQUID의 임계 전류이다. $\Phi$는 SQUID를 관통하는 자속이며 $V$는 그 자속에 의해 나타나는 전압이다. X-기호는 조지프슨 효과의 장치이다.

왼쪽: SQUID의 전압대비 전류 곡선으로 위 아래 곡선은 nΦ₀ 와 (n+1/2)Φ₀이다. 오른쪽: 반복되는 전압 출력은 SQUID를 관통하는 자속에 비례하여 발생한다. 반복되는 정도는 하나의 자속 양자Φ₀ 와 같다.

직류 SQUID는 1964년 로버트 자클레빅, 존 람비, 아놀드 실버 그리고 제인스 머세로 등의 포드 연구 실험실에 의해 발명되었다. 이것은 B.D. 조셉슨이 1962년 조셉슨 효과를 주장하고 1963년 벨랩에서 존 로웰과 필립 앤더선에 의해 조셉슨 접합이 만들어진 이후의 일이었다.

교류(RF) SQUID

교류 SQUID는 1965년 포드사의 제임스 에드워드 짐머만과 아놀드 실버가 발명하였다.