鎖相放大器對(duì)超導(dǎo)材料性能評(píng)價(jià)的應(yīng)用

目前有許多以超導(dǎo)為目標(biāo)的研究正在進(jìn)行。一般來說，超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)需要將試樣置于極低溫下進(jìn)行。這時(shí)一邊測(cè)量試樣的電阻一邊確認(rèn)試樣是否達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)。但是測(cè)量電阻時(shí)的電流會(huì)使試樣產(chǎn)生焦耳熱，這會(huì)影響溫度控制的準(zhǔn)確性。因此，測(cè)量電流必須非常微小。由于試樣本身的電阻值很低，產(chǎn)生的電壓很微弱，也給檢測(cè)帶來困難。

超導(dǎo)狀態(tài)下，有極微弱的交流電流流過試樣�？梢岳�用鎖相放大器檢測(cè)試樣發(fā)生的微弱交流電壓，進(jìn)行試樣的電阻測(cè)量。由于信號(hào)是交流的，所以可以避免熱電動(dòng)勢(shì)的影響，進(jìn)行低電阻測(cè)量時(shí)減小測(cè)量誤差。超導(dǎo)材料的一個(gè)重要應(yīng)用結(jié)構(gòu)形武是約瑟夫森(Josephson)結(jié)。約瑟夫森結(jié)是由挾著氧化膜的蒸鋁鋼帶構(gòu)成，當(dāng)冷卻到1 K以下時(shí)，就能得到如圖1所示的電流-電壓特性。
 

圖1.   約瑟夫森器件的I/V特性

在具有非線性試樣的場(chǎng)合，如圖2所示將一定的交流電流疊加在直流電流上,然后一邊改變直流電流一邊用鎖相放大器的1F模式測(cè)量所發(fā)生的交流電壓，就能夠測(cè)定電阻值（1階微分特性）。如果用2F模式測(cè)量，就能夠以高靈敏度測(cè)量電阻值的變極點(diǎn)（2階微分特性）。

將兩個(gè)約瑟夫森結(jié)并聯(lián)，構(gòu)成如圖3所示的傳感器，當(dāng)通過孔中的磁力線發(fā)生改變時(shí)，可以得到如圖7所示的變化的電流-電壓特性。應(yīng)用這種特性可以做成靈敏度非常高的磁敏傳感器。它叫做超導(dǎo)量子干涉器件(Superconducting QUantum Interference Device，SQUID)，可用于檢測(cè)人腦發(fā)生的磁場(chǎng)或地磁的起伏等。
 

圖2.測(cè)量超導(dǎo)材料的微分電阻

圖3.SQUID傳感器的結(jié)構(gòu)
 

圖4.磁通通過SQUID傳感器時(shí)的特性 

超導(dǎo)中一個(gè)有名的效應(yīng)是邁斯納( Meissner)效應(yīng)（完全抗磁性）。在這種效應(yīng)的狀態(tài)下，磁力線不能穿過處于超導(dǎo)狀態(tài)的試樣，而會(huì)從超導(dǎo)體內(nèi)排除。用相互感應(yīng)法能夠確認(rèn)這種狀態(tài)。相互感應(yīng)法如圖3所示，是由兩組初級(jí)線圈和次級(jí)線圈構(gòu)成，繞線的方向各自相反。在沒有放置試樣的狀態(tài)下，次級(jí)一側(cè)信號(hào)的大小相同，相位相反，相互抵消而不出現(xiàn)信號(hào)。
 

圖5.超導(dǎo)材料磁化率的測(cè)定方法（確認(rèn)邁斯納效應(yīng)）

如果這時(shí)在一組線圈中放置試樣，則兩組線圈磁通的平衡被打破，次級(jí)一側(cè)出現(xiàn)信號(hào)。然后，如果試樣進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，次級(jí)一側(cè)的信號(hào)將再次抵消變?yōu)?，這樣就可以確認(rèn)邁斯納效應(yīng)。這時(shí)使用鎖相放大器就能夠捕捉到更微小的變化。