超伝導量子干渉計

超伝導量子干渉計 (SQUID) の概要

超伝導量子干渉計（SQUID）は、ジョセフソン接合を用いた超伝導体で構成されており、非常に感度が高く、極めて微弱な磁場を検出するために設計された磁気センサの一種です。SQUIDは、数日かけて平均を取ることで、5 aT（5×10⁻¹⁸ T）という極めて弱い磁場も検出することができます。また、ノイズレベルは3 fT/(Hz ¹/²)と非常に低く、一般的な冷蔵庫のマグネットが生成する磁場（約0.01 T）に比べて、SQUIDははるかに小さい信号を捉えることが可能です。

最近、新たに開発された光ポンピング磁力計は、SQUIDよりも高い感度を持ち、低温冷却を必要としませんが、サイズが1 cm³ほど大きく、ほとんど無磁場でしか機能しないという欠点があります。

SQUIDの歴史と設計

SQUIDには、主に直流型（DC）と高周波型（RF）の二種類があります。RF SQUIDは単一のジョセフソン接合で動作するので、製造コストが安くなりますが、感度はDC SQUIDと比較して劣ります。

DC SQUID

DC SQUIDは、1962年にジョセフソン効果をジョセフソンが予測し、1963年にはベル研究所の研究者によって初めてのジョセフソン接合が開発されました。その後、フォード研究所のチームによって1964年に初めてのDC SQUIDが発明されました。DC SQUIDは、一つの超伝導体ループに対向して二つのジョセフソン接合を持ち、直流ジョセフソン効果に基づいて動作します。

外部からの小さな磁場を印加すると、遮蔽電流がループ内で磁場を打ち消すために循環します。この状態では、異なる接合が異なる向きに電流を通し、最終的に電圧が発生します。もし印加される外部磁場が磁束量子の半分を超えると、遮蔽電流は逆に流れ始め、それによって臨界電流が印加磁場の関数として振動します。

RF SQUID

RF SQUIDは、1965年にフォード研究所の科学者たちによって発明されました。これは交流ジョセフソン効果に基づいており、単一のジョセフソン接合で動作します。感度はDC SQUIDより劣りますが、安価に製造でき、少量生産も容易です。RF SQUIDは生体磁気の測定において非常に小さな信号を検出する能力があります。

SQUIDに使用される材料

SQUIDの主要な超伝導材料としては、純粋なニオブや10%の金またはインジウムを含む鉛合金が伝統的に使われています。これらの材料は、デバイスを絶対零度近くで動作させる必要があり、液体ヘリウムを用いた冷却が行われます。2006年には、アルミ製ループとカーボンナノチューブ製のジョセフソン接合を用いたCNT-SQUIDセンサの概念が発表され、1K以下で運用可能な非常に小型のセンサとしての可能性が示されました。

最近では、高温超伝導体を用いたSQUIDも開発されており、主にYBCO製で、液体窒素での冷却が可能です。従来の低温SQUIDより感度は劣りますが、多くの応用には十分な性能を持っています。

SQUIDの応用

SQUIDの高い感度は、生物学的研究に特に有用です。例えば、脳磁図（MEG）はSQUIDアレイを使用して、脳内の神経活動を推定します。SQUIDは高い時間分解能を実現できるため、脳から発せられる微細な信号を捕捉可能です。さらに、胃の運動描写や磁気マーカーモニタリング法など、新しい応用も開発されています。臨床現場においても、循環器学における心臓の磁場を検知し、診断やリスク層別化に活用されています。

最も広く商業的利用されているSQUIDの一例が、磁気特性測定装置（MPMS）です。温度範囲は300 mKから約400 Kまで対応し、試料の磁気的特性を測定できます。近年の技術進歩により、SQUIDセンサは AFMプローブに搭載でき、表面の粗さと局所的な磁束を同時に計測可能となりました。また、低磁場核磁気共鳴画像法（Low Field MRI）にも使用され、 SQUID MRIは、コストとコンパクトさの面で強磁場MRIシステムよりも優位です。さらに、SQUIDは走査型SQUID顕微鏡のプローブとしても利用され、石油探査や地震予知、地熱エネルギーの探索にも応用が広がっています。 重力波検知を目的としたGravity Probe Bでは、四つのジャイロスコープにSQUIDセンサが使用されています。

将来的な応用

SQUIDを用いた量子コンピュータの実現が提案されており、また軍事分野では対潜戦における磁気異常探知機への応用も模索されています。

具体的な応用が進む中で、SQUIDの技術はさらなる発展が期待されます。

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