超导量子干涉器通常缩写为 SQUID，是一种灵敏度极高的磁通探测器，由具有超导现象的环路及嵌入其中的一个或多个约瑟夫森结构成。它能将磁通的变化转换为可测量的电信号。SQUID 可用作磁强计、高灵敏度电流探测器和低噪声放大器，应用范围涵盖生物磁测量、超导探测器读出等领域。其工作原理结合了约瑟夫森效应与超导电路的相位相干性。(nist.gov)
物理原理
超导态可用一个集体量子相位来描述。在常规超导体中，电荷由库珀对输运，每个库珀对所带电荷的大小为电子电荷大小的两倍。约瑟夫森结是一种允许超电流流过的弱连接；对于常规约瑟夫森结，其电流与两侧超导体之间的相位差近似呈正弦关系。穿过环路的磁通会约束电路中各处的相位差，从而改变各结电流叠加的方式。因此，SQUID 使人们能够通过电学测量观察量子力学的宏观效应。(nvlpubs.nist.gov)
其特征磁通尺度为磁通量子：
[ \Phi_0=\frac{h}{2e}\approx2.068\times10^{-15}\ \mathrm{Wb}, ]
其中，(h) 为普朗克常数，(e) 为元电荷。当外加磁通变化约一个磁通量子时，SQUID 的响应便重复一次。这种周期性并不意味着存在最小可探测增量：在适当的工作条件下，仪器能够分辨远小于 (\Phi_0) 的变化。相关约束来自磁通量子化和相位一致性，而不是要求所有外加磁通都必须为 (\Phi_0) 的整数倍。(nvlpubs.nist.gov)
直流与射频构型
**直流 SQUID（DC SQUID）**通常在超导环路内包含两个并联连接的约瑟夫森结。当两个结完全相同、环路电感可忽略，且电流与相位差呈正弦关系时，其最大零电压电流为
[ I_{\mathrm{c,SQUID}}(\Phi) =2I_{\mathrm{c,j}} \left|\cos\left(\frac{\pi\Phi}{\Phi_0}\right)\right|, ]
其中，(I_{\mathrm{c,j}}) 为任一结的临界电流。有限的电感以及两个结之间的差异会改变这一理想调制关系。将器件偏置到非零电压工作区后，它会产生随磁通周期性变化的电压，从而提供可用于实际读出的信号。(nvlpubs.nist.gov)
传统的**射频 SQUID（RF SQUID）**在超导环路中包含一个约瑟夫森结。它通过电感耦合与射频谐振电路相连，后者的测量响应会随 SQUID 的磁通依赖特性而改变。直流与射频的区分主要描述电路构型和读出方式，而不是所测磁信号为静态还是交变信号。现代射频 SQUID 也会在大型探测器读出系统中与微波谐振器耦合。(nvlpubs.nist.gov)
读出与磁耦合
未配备辅助读出电路的 SQUID，其输出具有非线性和周期性。因此，许多仪器采用磁通锁定环：电子电路检测器件偏离选定工作点的程度，并通过反馈线圈施加反向磁通。在锁定环的工作范围内，反馈信号可作为输入量的近似线性度量。这种反馈方式扩大了可用动态范围，但带宽和可跟踪的最大磁通变化速率仍受整个读出系统的限制。(arxiv.org)
在弱磁场测量中，超导拾取线圈可在较大面积上收集磁通，再通过输入线圈将其传递给 SQUID。这样，磁场收集部分的几何结构便可与小型感测环路分开设计。磁梯度计将空间上分离的拾取线圈组合起来，以测量磁场差异，并抑制较为均匀的背景信号。磁屏蔽则进一步隔离环境干扰。(juser.fz-juelich.de)
材料、冷却与灵敏度
低温 SQUID 通常采用铌基结技术，在接近液氦温度、约 4.2 K 的条件下工作。采用高温超导材料，尤其是钇钡铜氧的器件，可以在接近液氮温度、约 77 K 的条件下工作。两者都需要低温技术设备；“高温”是相对于常规超导体而言，并不指室温。材料的选择会影响结的制造、冷却方案和噪声性能。(juser.fz-juelich.de)
灵敏度通常用磁通噪声的幅度谱密度表示，单位为 (\mathrm{Wb}/\sqrt{\mathrm{Hz}}) 或 (\Phi_0/\sqrt{\mathrm{Hz}})；也可用等效磁场噪声表示，单位为 (\mathrm{T}/\sqrt{\mathrm{Hz}})。经过优化的生物磁测量系统可达到每根号赫兹数飞特斯拉的磁场噪声水平。这些数值取决于频率、拾取线圈的几何结构、耦合情况及工作条件，并非通用的探测阈值。噪声包括宽带噪声和低频1/f 噪声，而环境干扰可能超过传感器的本征噪声。(juser.fz-juelich.de)
发展与应用
1964 年 3 月 16 日，福特汽车公司的 R. C. Jaklevic、J. J. Lambe、A. H. Silver 和 J. E. Mercereau 发表了一项奠基性实验，展示了与磁通相关的超导量子干涉现象。此后的发展催生了实用传感器、薄膜电路、多通道仪器和专用读出电子设备。(journals.aps.org)
在脑磁图测量中，SQUID 阵列用于记录大脑电活动产生的微弱磁场。在材料研究中，扫描 SQUID 显微术用于绘制局部磁场及磁响应的分布，包括超导结构附近的磁场和响应。拾取线圈的尺寸及其与样品的距离会显著影响空间分辨率和磁耦合。(nist.gov)
SQUID 放大器还用于读出转变边缘传感器的电流，这类传感器用于高灵敏度辐射探测器。信号多路复用使多个探测器通道能够共用读出系统。在超导量子电路中，SQUID 结构可提供随磁通调节的电感，并实现超导量子比特与谐振器之间可调的相互作用。这些用途利用的都是同一种依赖磁通的电路特性，而不只是将 SQUID 作为磁场测量仪器。(nist.gov)