鎖相放大器對超導材料性能評價的應用

目前有許多以超導為目標的研究正在進行。一般來說，超導實驗需要將試樣置于極低溫下進行。這時一邊測量試樣的電阻一邊確認試樣是否達到超導狀態(tài)。但是測量電阻時的電流會使試樣產生焦耳熱，這會影響溫度控制的準確性。因此，測量電流必須非常微小。由于試樣本身的電阻值很低，產生的電壓很微弱，也給檢測帶來困難。

超導狀態(tài)下，有極微弱的交流電流流過試樣�？梢岳�用鎖相放大器檢測試樣發(fā)生的微弱交流電壓，進行試樣的電阻測量。由于信號是交流的，所以可以避免熱電動勢的影響，進行低電阻測量時減小測量誤差。超導材料的一個重要應用結構形武是約瑟夫森(Josephson)結。約瑟夫森結是由挾著氧化膜的蒸鋁鋼帶構成，當冷卻到1 K以下時，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模式測量所發(fā)生的交流電壓，就能夠測定電阻值（1階微分特性）。如果用2F模式測量，就能夠以高靈敏度測量電阻值的變極點（2階微分特性）。

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

圖2.測量超導材料的微分電阻

圖3.SQUID傳感器的結構
 

圖4.磁通通過SQUID傳感器時的特性 

超導中一個有名的效應是邁斯納( Meissner)效應（完全抗磁性）。在這種效應的狀態(tài)下，磁力線不能穿過處于超導狀態(tài)的試樣，而會從超導體內排除。用相互感應法能夠確認這種狀態(tài)。相互感應法如圖3所示，是由兩組初級線圈和次級線圈構成，繞線的方向各自相反。在沒有放置試樣的狀態(tài)下，次級一側信號的大小相同，相位相反，相互抵消而不出現(xiàn)信號。
 

圖5.超導材料磁化率的測定方法（確認邁斯納效應）

如果這時在一組線圈中放置試樣，則兩組線圈磁通的平衡被打破，次級一側出現(xiàn)信號。然后，如果試樣進入超導狀態(tài)，次級一側的信號將再次抵消變?yōu)?，這樣就可以確認邁斯納效應。這時使用鎖相放大器就能夠捕捉到更微小的變化。