SQUID

SQUID ist die Abkürzung für Superconducting QUantum Interference Device (Supraleitende Quanteninterferenzeinheit). Ein SQUID ist ein Sensor zur sehr präzisen Messung extrem geringer Magnetfeldänderungen.

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Aufbau

Ein SQUID besteht aus einem supraleitenden Ring, der an einer Stelle (rf-SQUID, gelegentlich auch ac-SQUID genannt) oder zwei Stellen (dc-SQUID) durch ein normalleitendes oder elektrisch isolierendes Material unterbrochen wird. Diese Unterbrechung muss jedoch so dünn sein, dass die supraleitenden Elektronenpaare (die Cooper-Paare) durch diese Spalte hindurchtunneln können. Derartige Tunnelkontakte nennt man Josephson-Kontakte.

Funktionsweise

Die Funktionsweise eines SQUID basiert auf dem Effekt der Flussquantisierung in supraleitenden Ringen und dem Josephson-Effekt. Aus quantenmechanischen Gründen kann durch einen supraleitenden Ring nur ein Magnetischer Fluss, der ein ganzzahliges Vielfaches des elementaren magnetischen Flussquantums (2,07×10^-15 Vs) beträgt, durchfließen. Ändert sich das äußere Magnetfeld, so wird im Ring ein elektrischer Kreisstrom angeregt, der genau groß genug ist, um den magnetischen Fluss im supraleitenden Ring auf das nächstgelegene Vielfache des Flussquantums zu erhöhen oder zu verringern. Diese magnetfeldabhängige Änderung des Stromes lässt sich in einem einfachen supraleitenden Ring schwer detektieren, deshalb macht man sich den Josephson-Effekt zunutze. In den Supraleitenden Ring werden (beim dc-SQUID) zwei Josephson-Kontakte eingebracht, wodurch der Ring in zwei Teile geteilt wird. Nun werden diese kontaktiert und ein Gleichstrom durch das SQUID geleitet, der größer als der kritische Strom der beiden Josephson-Kontakte ist, dadurch fällt am SQUID eine messbare elektrische Spannung ab. Diese ist abhängig vom außen angelegten Gleichstrom, aber auch von den Kompensationströmen, die im supraleitenden Ring fließen, um die Flussquantisierung aufrecht zu erhalten. Ändert sich nun das äußere magnetische Feld, so ändert sich der Strom im Ring und damit die Spannung am dc-SQUID. Die Fluss-Spannungs-Kennlinie des SQUID ist periodisch (näherungsweise Sinusförmig) und die Periode ist genau ein magnetisches Flussquantum. Deshalb kann man mit einem SQUID noch Flussänderungen, die geringer als ein Flussquantum sind, messen (zum Vergleich: das Erdmagnetfeld liegt in der Größenordnung von zwischen 30 und 60×10^-6 Vs pro Quadratmeter an der Erdoberfläche).

Die Funktionsweise eines rf-SQUID basiert auf den selben Effekten, nur dass als Vorstrom kein Gleichstrom, sondern ein Wechselstrom im Frequenzbereich von einigen 10 Megahertz benutzt wird. Dieser wird nicht direkt an das SQUID angelegt, sondern induktiv über eine Spule. Über diese Spule wird es auch ausgelesen.

Realisierung

Die meisten SQUIDs werde heute in Dünnfilmtechnik (Sputtern oder Laser-Ablation) hergestellt.

Bei der Herstellung von SQUIDs kommen unterschiedliche Materialien zur Anwendung, die bei unterschiedlichen Temperaturen supraleitend werden. Wird ein SQUID zum Beispiel aus Niob angefertigt, muss es im Betrieb extrem stark abgekühlt werden, üblicherweise nimmt man dazu flüssiges Helium bei 4 K (-269,15 °C). So genannte Hochtemperatursupraleiter funktionieren schon bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff, 77 K (-196,15 °C). Der Betrieb dieser Materialien ist viel kostengünstiger, da Stickstoff leichter zu gewinnen ist und man ihn auch leichter verflüssigen kann. Allerdings ist der Herstellungsprozess für SQUIDs aus Hochtemperatursupraleitern bedeutend aufwändiger, so dass sie ungleich teurer sind. Außerdem ist bei höheren Temperaturen das Rauschen höher und damit die Feldempfindlichkeit geringer.

Betrieb

Aufgrund der Periodizität der Fluss-Spannungs-Kennlinie lassen sich mit einem SQUID keine absoluten Werte magnetischer Feldstärken messen, sondern nur Feldstärkeänderungen. Möchte man Flussänderungen messen, die größer als ein Flussquantum sind, muss dem SQUID eine Elektronik nachgeschaltet werden, die, über eine Induktionsspule, die jeweilige Flussänderung im SQUID-Ring kompensiert und es so auf einem festen Arbeitspunkt betreibt. Eine derartige Elektronik nennt man Flussregelschleife.

Durch allgegenwärtige magnetische Hintergrundfelder (zum Beispiel das Erdmagnetfeld aber auch Störungen durch Stromleitungen und elektrische Geräte in der Umgebung) ist ein SQUID an sich ständig starken Störungen ausgesetzt. Um diese einigermaßen zu unterdrücken, kann man die Messung entweder in einer magnetisch abgeschirmten Umgebung vornehmen oder zum Beispiel zwei SQUIDs eng neben einander und entgegengesetzt koppeln (SQUID-Gradiometer) um nur Felder wahrzunehmen, die ihren Ursprung in unmittelbarer Nähe des SQUIDs haben.

Anwendungen

SQUIDs werden vielfältig angewendet, wenn es gilt, winzige magnetische Flüsse zu messen.

SQUID-Suszeptometer werden eingesetzt, um die magnetischen Eigenschaften von Materie zu messen.

In der Medizin werden SQUIDs benutzt, um die Magnetfelder zu messen, die von Strömen im menschlichen Körper, z.B. Gehirnströmen (Magnetoenzephalographie [MEG]) oder Herzströmen (Magnetokardiographie [MKG]) herrühren.

Außerdem werden sie zur Detektion von Kernspinresonanzen in niedrigen Magnetfeldern benutzt, wodurch sich ein weiteres Anwendungsgebiet in der Medizin erschließt, nämlich das Erstellen von Magnetresonanztomographien.

In der Geologie und der Archäologie werden SQUIDs eingesetzt, um sehr feine Änderungen des Erdmagnetfeldes an der Oberfläche zu ermitteln. Dadurch kann man unterirdischen Strukturen (geologische Schichten, Erzvorkommen oder Strukturen von Gebäudeüberresten) entdecken, die mit anderen Methoden nicht feststellbar sind.

SQUIDs werden auch zur zerstörungsfreien Materialprüfung eingesetzt. Hierbei sind insbesondere Raster-SQUID-Mikroskope und SQUID-detektierte Wirbelstromprüfverfahren zu nennen.

In einigen Fällen werden SQUIDs als hochempfindliche Messverstärker eingesetzt (SQUID-Verstärker).

In neuerer Zeit gibt es Forschungsprojekte mit dem Ziel, rf-SQUIDS als Qubits für Quantencomputer einzusetzen.

Sonstiges

Das elektrostatische Analogon zum SQUID ist der Einzelelektronentransistor (Single-Electron-Transistor [SET]).

Literatur

• John Clarke, Alex I. Braginski: The SQUID Handbook, Vol.1 : Fundamentals and Technology of SQUIDs and SQUID Systems, ISBN 3527402292
• John Clarke, Alex I. Braginski: The SQUID Handbook, Vol.2 : Applications, ISBN 3527404082