超导量子干涉器先进军用电子装备中的基础元件

　　信息的无线传播能力是20世纪电子学和许多应用技术得以迅速发展的主要动力。进入21世纪以后,得益于基础科学的研究进展和现代半导体制造技术的进步,无线电技术(通信、雷达、遥测和遥控)的应用前景似乎更为广阔。

　　历史上,火花间隙发射机和金属屑检波器构成原始无线通信系统,真空电子器件(电子管)的发明让无线电成为实用的广播、通信的媒体。固体电子器件(晶体管)以及随后出现的集成电路使得满足多种用途的电子装备的设计和制造成为现实。超大规模集成电路和高速数字信号处理器为传统无线电技术开辟了新的发展空间,具有复杂功能、体积小、重量轻、性能优越的电子系统和装备不断问世。

　　纵观所有的电子学系统,从最简单的放大器、振荡器、收音机、电视机,到庞大的巨型计算机、精密航天测控系统和集战场指挥(Command)、控制(Con-trol)、通信(Communication)、计算机(Computer)、情报(Intelligence)、监视(Surveillance)和侦察(Re-connaissance)功能于一体的电子战信息网络体系(C4ISR),无不包含一种基本的电子器件———晶体管(尽管集成电路已经替代了晶体二、三极管和其他分立元件组成的电路,但其本质仍是由硅片上的晶体管和其他元件组成的某种阵列)。

　　但以晶体管为基础元件的现代信息技术正面临着严峻的挑战,面对现代战争对军用电子装备在许多指标上的要求不断提高,已接近基本物理发展极限的半导体技术,能否提供进一步的技术突破,是新世纪初我们必须面对的问题之一。

　　为了突破微电子器件制造的物理极限,科技界正在从两个方面进行攻关。一方面利用纳米技术研制各种可能的新器件(例如碳纳米管和硅纳米线晶体管),另一方面利用波函数的特性制备一些可能的新器件。其中,基于超导波函数的相位相干性和磁通量子化现象工作的超导量子干涉器,对未来军事电子装备而言,是一种非常有希望的基础元件。

　　1　超导量子干涉器

　　超导量子干涉器(Superconducting QuantumInterference Device,简称SQUID)是巧妙地利用了超导体宏观量子现象设计而成的一种新型电子器件,它完全依赖超导体磁通量子化和约瑟夫森隧穿这两个宏观量子力学效应工作,有接近量子极限的能量分辨率、极低的噪声、极宽的工作频带、极低功耗等优异性能,在宇宙学、量子力学和生命科学等近代实验物理和理论物理研究中一直扮演着重要角色。经过几十年的努力,特别是高温超导体发现后的20年,超导量子干涉器技术已经逐渐发展成颇具特色的电子学新技术。

　　由于超导体中量子力学效应可以在宏观尺度和简单结构上发生,超导量子干涉器件的结构、设计和制作工艺都比半导体器件简单。例如,所谓射频超导量子干涉器(rf SQUID)就是含有一个超导弱连接的超导环,含有两个超导弱连接的超导环就构成了直流超导量子干涉器(dc-SQUID)。不仅如此,由于超导波函数的相位可以在较大的空间尺度上维持相干特性,因此在目前,超导量子干涉器还是唯一可在微米尺度(10-6m)展现量子力学行为的人造结构。这种完全依赖于电子波特性工作的“量子器件”将拥有无限的应用潜力。