dc-SQUID-basierte Stromsensoren und Magnetometer
Mit Gleichstrom betriebene Supraleitende Quanten-Interferenz-Detektoren (dc-SQUIDs) sind hochsensitive Bauelemente, mit denen magnetischer Fluss mit höchster Präzision gemessen werden kann. Ein schematisches Ersatzschaltbild für ein einfaches dc-SQUID ist in Abbildung 1 zu sehen. Sie bestehen aus einem geschlossenen Ring aus einem supraleitenden Material, welcher von zwei Josephson-Tunnelkontakten unterbrochen ist. Die Josephson-Tunnelkontakte besitzen jeweils den kritischen Strom Ic und sind mit einem Widerstand R geshunted, um ein hysteretisches Verhalten zu unterdrücken. Aufgrund quantenmechanischer Interferenzeffekte hängt das Ausgangssignal eines SQUIDs von magnetischen Fluss ab, der die SQUID-Schleife durchsetzt. Wird ein dc-SQUID beispielsweise mit einem konstanten Betriebsstrom Ib betrieben, so variiert die Spannung über dem SQUID periodisch mit dem magnetischen Fluss Φ (siehe Abbildung 2).
welches am IMS hergestellt und vermessen wurde. Es ist deutlich, wie sich die Strom-Spannungs-Kennlinie
in Abhängigkeit des magnetischen Flusses verändert. Bei einem konstanten Betriebsstrom führt dies zu einer
flussabhängigen Spannung über das SQUID.
Grundsätzlich können mit einem dc-SQUID kleinste Änderungen des magnetischen Flusses gemessen werden. Berücksichtigt man, dass sich viele physikalische Größen auf natürliche Weise in ein magnetisches Flusssignal wandeln lassen, so ist sofort ersichtlich, dass sich auch Magnetfelder, Ströme oder Spannungen sehr präzise mit Hilfe mit SQUIDs messen lassen. Eine weitere Anwendung, die in den letzten Jahren besondere Aufmerksamkeit erlang hat, sind SQUID-basierte Teilchendetektoren wie z.B. magnetische Mikrokalorimeter (MMCs).
Durch den symmetrischen Aufbau der vier parallel verschalteten
Schleifen können Hintergrund-Magnetfelder unterdrückt werden.
An die Einkoppelspule wird das MMC angeschlossen, die Feedback-Spule
ist essentiell für das Auslesen des SQUIDs.
mit zwei seriell verschalteten, symmetrischen Schleifen.
Die spiralförmigen Feldspulen sind deutlich zu erkennen.
Die Josephson-Tunnelkontake befinden sich mittig im SQUID.
Die Forschung am IMS in diesem Gebiet beschäftigt sich unter anderem mit der Entwicklung von SQUIDs für die Auslese von Teilchendetektoren. Darüber hinaus wird an fortschrittlichen Auslesetechniken für SQUIDs (sogenannte Multiplexverfahren) gearbeitet, um eine möglichst große Zahl an Detektoren gleichzeitig betreiben zu können. Mit einem Mikrowellen-SQUID-Multiplexen (µMUX) können beispielsweise eine Vielzahl von SQUIDs über wenige elektrische Leitungen ausgelesen werden. Darüber hinaus werden am IMS auch SQUIDs für spezielle Anwendungen entwickelt und untersucht, wie z.B. Suszeptometer-SQUIDs zum Messen der magnetischen Eigenschaften mikroskopisch kleiner Proben. Um die Fülle der am IMS vorangetriebenen SQUID-Entwicklungen abschätzen zu können, sind in den Abbildungen 3 und 4 beispielhaft Mikroskop-Aufnahmen von verschiedenen SQUIDs gezeigt, die am IMS entwickelt und gefertigt wurden. Im Vergleich zu dem vereinfachten Schema aus Abbildung 1 bestehen reale SQUIDs üblicherweise aus mehreren, symmetrisch angeordneten Schleifen, die parallel oder seriell verbunden sind. Dadurch können z.B. Hintergrund-Magnetfelder wie das Erdmagnetfeld unterdrückt werden und die Auflösung des SQUIDs je nach Einsatzzweck verbessert werden.