高温超导人工弱连接和超导量子干涉器件
王世光
北京大学

　　1988年王世光教授获得了首届霍英东教育基金青年教师基金的资助，开展“高温超导量子干涉器件的噪声研究”项目。超导量子干涉器件（SQUID）是以约瑟夫森结为基元的磁通敏感元件，它的能量分辨接近量子极限，是目前世界上最灵敏的磁力仪。过去SQUID的工作要求液氦条件。高温超导体问世，预示着可能在液氦温区使用这种设备。因此，这项研究无论对超导现象的基制探索，还是对超导电性的应用都具有重要的意义。
　　当时国内外研究的高TC约瑟夫森结都采用氧化物多晶材料的天然弱连接。这种超导器件一般由大量的弱连接构成，其特性显示的是无规结网络的行为，难以研究单个弱连接的行为；而且由于工艺重复性差、器件噪声大等问题，不能满足超导电子学应用的要求。针对上述问题，我们课题组开展了高温超导人工弱连接的研究。当时，人们已成功地使用原位外延技术，在单晶基底上得了外延钇铜氧高温超导薄膜，这种优质的超导膜几乎不含天然弱连接。然而，如何在这种优质的薄膜上制备约瑟夫森结是超导领域研究的一个难题。由于钇铜氧的成相温度高、相干长度短和各向异性等特点，难以使用传统的方法制备约瑟夫森结，研究的目标首先是攻克这个难关。根据钇铜氧超导体在其晶体的铜氧平面的相干长度较大的特点，选择了边缘结为首攻方向。由于边缘结是多层结构器件，要求解决超导氧化物和绝缘介质的多层异质外延和可控深度的分层刻蚀技术。经过实验采用射频反应溅射法外延生长了钇钡铜氧超导体和钛酸锶介质多层薄膜，并研究了氩离子束对各种薄膜的刻蚀，解决了多层薄膜中的相互扩散、刻蚀过程超导电性的退化等问题。在此基础上，在国内首先成功地研制了外延型全高Tc超导边缘结，器件在液氮温区显示了约瑟夫森效应，我们对这种新型的高Tc约瑟夫森结的物理特性以及工艺参数的影响进行了系统的研究，发现边缘结的行为基本可以用传统的约瑟夫森SNS结理论描述，也根据氧化物超导体的特点合理地解释一些偏离理论新的现象。同时，通过对工艺过程的研究提高了器件的一致性和重复性。
　　王世光教授等以边缘结为基元研究制备了直流超导量子干涉器件（SQUID）。器件在液氮沸点（77K）以上10度超导转变，显示了很好的磁通——电压传输曲线。研究了临界电流、结电阻等器件参数以及环路结构对SQUID的传输函数、磁聚焦因子的影响。使用磁通锁定电路，在液氮温度下实现了SQUID的闭环运行，测量了其转换系数和电压噪声显著低于多晶薄膜制备的器件。当时国外的一些实验室也制备了高Tc边缘结，但没有闭环噪声研究。该实验结果表明其能量、分辨率与美国IBM研究室发表的双晶结直流SQUID的指标相近，达到了国际上液氮SQUID的先进水平。这些结果在国内外学术刊物和会议上发表了一系列论文，受到了国内外同行重视，一些国外出版社约请找们为其编辑出版的专著提供实验证据，尤其对我国超导的应用发展中的一些关键问题的解决做出了贡献。因此，获得了国家教委科技进步一、二等奖。王世光教授也获得国家科委“七五”科技攻关先进个人表彰。
　　霍英东青年教师基金的资助为开展高温超导器件的研究打下了良好的基础。在完成高温超导量子干涉器件的噪声研究项目后，承担了国家“八六三”计划，继续致力于提高高温超导电子学器件的性能和推进其实用化的研究。1992年该研究小组通过改进现有的设备，使用热压法在大气中烧结了YZS双晶，成为世界上几个能够制备双晶基底的实验室之一。通过在双晶基底上外延生长钇铜氧薄膜，获得了超导晶界结。还改进了传统的紫外曝光机，使其具有透射照明功能，以满足双晶结光刻时的晶界对准。由于晶界结的制备只须外延单层薄膜，简化了工艺过程，因此提高了器件的产率和性能。通过改进SQUID的几何结构，使仪器的磁场分辨率达到了地磁场的一亿分之一的水平。该灵敏度已能够满足某些实用的要求，仪器的原型在野外地质实验中显示了良好的稳定性能。目前，该科研组在国家教委跨世纪人才基金和国家“八六三”计划的支持下，研究高温超导磁力仪和梯度计，推动该研究结果在地质勘探、生物磁信号探测等领域的应用发展。