[论文解读] The Diamond SQUID

Soumen Mandal, Tobias Bautze+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2011

Mechanical and Optical Resonators参考文献 35被引用 38

一句话总结

本文首次实现了使用纳米晶硼掺杂金刚石（BDD）薄膜的微米尺度超导量子干涉器件（μ-SQUID）。该器件在高达4 T的磁场中无论磁场方向如何均能可靠运行，标志着向探测基于金刚石的纳米机械振子中量子运动迈出了关键一步。

ABSTRACT

Diamond is an electrical insulator in its natural form. However, when doped with boron above a critical level (~0.25 at.%) it can be rendered superconducting at low temperatures with high critical fields. Here we present the realization of a micrometer scale superconducting quantum interference device $\mu$-SQUID made from nanocrystalline boron doped diamond (BDD) films. Our results demonstrate that $\mu$-SQUIDs made from superconducting diamond can be operated in magnetic fields as large as 4T independent on the field direction. This is a decisive step towards the detection of quantum motion in a diamond based nanomechanical oscillator.

研究动机与目标

• 开发一种基于硼掺杂金刚石（BDD）的超导量子干涉器件（SQUID），用于高场量子传感应用。
• 通过利用超导BDD的高临界场特性，克服传统SQUID在高磁场中的局限性。
• 通过构建坚固可靠的高场SQUID，实现对基于金刚石的纳米机械振子中量子运动的探测。
• 证明基于超导金刚石制造的μ-SQUID可在强磁场及多方向磁场下正常工作。

提出的方法

• 制备硼掺杂浓度超过0.25 at.%的纳米晶硼掺杂金刚石（BDD）薄膜，使其在低温下呈现超导性。
• 利用超导BDD薄膜设计并制造微米尺度的超导量子干涉器件（μ-SQUID）。
• 采用直流-SQUID结构，利用弱连接约瑟夫森结来探测磁通量变化。
• 在高达4 T的磁场下，包括不同磁场方向，测试器件性能。
• 在低温条件下运行以维持超导态并确保量子相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否成功利用超导硼掺杂金刚石（BDD）薄膜制造μ-SQUID？
• RQ2 此类基于BDD的μ-SQUID能否在超过1 T的高磁场中可靠运行？
• RQ3 该器件在4 T磁场下是否能保持功能，无论磁场方向如何？
• RQ4 该系统能否实现对基于金刚石的纳米机械振子中量子运动的探测？

主要发现

• 成功利用硼掺杂浓度高于0.25 at.%的纳米晶硼掺杂金刚石（BDD）薄膜制备出功能性的μ-SQUID。
• 该μ-SQUID在高达4 T的磁场中表现出稳定运行，且不受磁场方向影响。
• 器件在强磁场下仍保持超导相干性和磁通量子化，证实其适用于量子传感。
• 结果验证了超导金刚石作为高场量子器件平台的潜力。