Magnicon产品在用于对磁性纳米粒子进行磁化反转测量的低噪声 YBa_2Cu_3O_7 纳米 SQUID（Low-Noise YBa_2Cu_3O_7 NanoSQUIDs for Performing Magnetization-Reversal Measurements on Magnetic Nanoparticles）的应用

         小自旋系统或磁性纳米粒子（MNPs），如单分子磁铁、纳米线或纳米管，其行为与磁性体材料非常不同，这使得它们非常有趣，无论是基础研究还是应用，从自旋电子学和基于自旋的量子信息处理到fer-rofluidic器件的工业应用和生物医学应用1-7。由于它们的纳米尺寸，MNPs的磁矩非常小，这不允许使用标准的磁性表征技术来研究它们的特性。在Wernsdorfer等人开创的一种方法中，MNPs被放置在非常接近小型化超导量子参考器件（SQUIDs）的位置，通常被称为mi-croSQUIDs或SQ纳米SQUIDs9-25，MNPs的magnetizationreversal是通过耦合到microSQUIDs或纳米SQUIDs的杂散磁流的变化直接测量的。该应用面临的主要挑战是：（i）具有超低噪声的SQUID的开发，这可以通过降低SQUID环路的电感来实现；（ii）可以在非常大的磁场中运行（达到特斯拉范围），而不会显著降低其噪声性能。

         实现直流电流（dc）纳米SQUID的最常见方法是使用两个相交的收缩型约瑟夫森结（cJJ），它们与SQUID环11、12、14、16、23、26、27相交。在这种情况下，通过将粒子直接放置在其中一个cJJ的顶部来实现MNP和纳米SQUID之间的最佳耦合。cJJ的使用提供了在强磁场中操作SQUID的可能性。然而，如果使用Pb或Nb等传统金属超导体，高场操作受到薄薄膜通常为特斯拉的上临界场的限制28。尽管如此，人们已经证明，通过使用超薄薄膜，这种限制可以克服29。然而，对于超薄薄膜，SQUID电感L由大的动电感贡献主导，这会产生大的流量噪声。迄今为止，最成功的方法是尖端SQUID-on-top（SOT）26。到目前为止，最小的Pb SOT具有46 nm的有效环路直径和15 nm的薄膜厚度，4.2 K的超低流量噪声可降至50 nΦ0/Hz1/2（Φ0是磁性流量量子）。稍大一点的器件（56 nm有效直径）的电感估计为L=5.8 pH。SOT技术对于高分辨率扫描SQUID显微镜非常强大，并且首次提供了低于1µB/Hz1/2的自旋灵敏度，对于与SOT有10 nm距离的点状MNP，估计为1µB/Hz1/2（µB是Bohrmagneton）。然而，在可变磁场中保持最佳流量偏置点是不可能的；即流量噪声和自旋灵敏度强烈依赖于应用场，这使得这种设备对MNPs磁化反转的研究不太敏感。

         另一种方法是使用YBa2Cu3O7（YBCO）具有晶界约瑟夫-森结（GBJJs）的直流纳米SQUID，用于在温度T=4.2 K和低于30的情况下工作。MNP的磁化反转可以通过施加垂直于晶界的面内磁场来检测，即没有明显抑制GBJJ临界电流。YBCO的巨大的每个临界场在几十特斯拉范围内，这是在不使用超薄薄膜的情况下在高达特斯拉范围的强场中工作的可能性。因此，可以实现具有潜在超低流量噪声的极低电感器件。

         最近，我们对YBCO纳米SQUIDs32的设计进行了优化研究。这是基于耦合因子φµ的计算，即放置在插入SQUID回路的窄压缩顶部的点状MNP的每个磁运动中耦合到SQUID的磁流量。该additionalconstriction允许在不影响结的情况下优化φµ（通过压缩几何）。此外，我们还进行了数值模拟来计算SQUID电感和磁噪声S1/2的均方根（rms）谱密度Φ，w在热白色噪声极限。这使我们能够预测热白噪音极限S1/2下的自旋灵敏度µ，w=S1/2Φ，w/φµ用于我们的器件作为所有相关器件参数的函数。这项优化研究预测了YBCO薄膜厚度d约120nm的最佳性能，这允许在几个pH值的非常小的L下实现纳米SQUID。对于优化的设备，我们预测S1/2Φ，w几十个nΦ0/Hz1/2和φµ10−20 nΦ0/µB（对于位于收缩顶部YBCO薄膜上方10nm的MNP），产生自旋灵敏度S1/2µ，w几个µB/Hz1/2。

在这里，我们报告了基于GBJJ的优化YBCOnanoSQUID的实现以及在T=4.2 K磁屏蔽环境中对其电输运和噪声特性的实验测定。为了证明我们的YBCOnanoSQUID适用于小自旋系统的检测，我们测量了直径为dFe=39 nm的Fe纳米线的磁化反转（在T=4.2 K高达200mT），该纳米线位于SQUID环路附近。