Techniklexikon

SQUID

Supraleitung, Tieftemperaturphysik und -technik , superconducting quantum interference device, »supraleitendes Quanteninterferometer«, ein hochempfindliches, auf dem Josephson-Effekt beruhendes Instrument, geeignet zur Messung schwächster Magnetfelder bis ca. 10^-14 T. Es besteht aus einem supraleitenden Stromkreis (Supraleitung) mit ein oder zwei Josephson-Kontakten, wobei die Interferenzen des Tunnelstroms in den Kontakten, die durch das Magnetfeld beeinflusst werden, ausgenutzt werden.

Abhängig vom magnetischen Fluss durch den Josephson-Kontakt unterliegt die Stromstärke interferenztypischen Variationen, deren Periode durch die Grösse des magnetischen Flussquants bestimmt ist. Die Doppelkontakte steigern die Empfindlichkeit des Gerätes, da der magnetische Fluss sich vergrössert, wenn die vom Tunnelstrom umflossene Fläche sich vergrössert.

Die Abbildungen 1 und 2 zeigen in Dünnschichttechnik hergestellte SQUIDs, basierend auf dem konventionellen Supraleiter Niob. Eine quadratische Grundstruktur aus Niob von 1 mm² Grösse mit einem ebenfalls quadratischen Loch von 0,2 mm² Grösse bildet den SQUID-Ring. Darauf wird eine Isolationsschicht aus Silicium aufgebracht, die 2 mm² grosse Aussparungen für die Tunnelkontakte besitzt. Die Josephson-Tunnelkontakte selbst bestehen aus einer Aluminiumoxid-Barriere, die durch Oxidation einer Aluminiumschicht in einer Sauerstoffatmosphäre entsteht und von einer weiteren Niobschicht abgedeckt wird. Die planare SQUID-Struktur ermöglicht es, auch planare supraleitende Einkoppelspulen direkt über dem SQUID zu integrieren, so dass eine optimale Kopplung zwischen Spule und SQUID gegeben ist. Die Einkoppelspule wird oft dazu verwendet, neben magnetischen Feldern auch elektrische Ströme und Spannungen mit einem SQUID messen zu können.

SQUIDs werden in neuerer Zeit auch aus Hochtemperatur-Supraleitern hergestellt. Sie eignen sich besonders für Messzwecke in der Physik und für biomagnetische Messungen wie Magnetokardiogramme (Herzuntersuchungen) und Magnetoenzephalogramme (Gehirnuntersuchungen). Durch die Kombination mehrerer SQUIDs erreicht man eine neue, nicht-invasive Diagnostik ähnlich der Kernspintomographie, da die Kombination Ortsauflösung ermöglicht und Signale somit in Karten abgebildet werden können.

SQUID 1: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Niob dc SQUIDs. Man erkennt den quadratischen SQUID-Ring und die supraleitende Einkoppelspule. Die beiden Josephson-Kontakte befinden sich in der hellen, rechteckigen Struktur am rechten Rand des SQUID-Rings.

SQUID 2: Ausschnitt aus einer Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Niob dc SQUIDs, hergestellt in Dünnfilmtechnik. In der oberen Bildhälfte sind einige Windungen der supraleitenden Einkoppelspule zu sehen. Die beiden Josephson-Kontakte sind als gekreuzte Gräben in der unteren Bildhälfte zu erkennen.