Supergeleidend kwantuminterferentie-apparaat

Een supergeleidend kwantuminterferentie-apparaat (SQUID) is een mechanisme dat wordt gebruikt om uiterst zwakke signalen te meten, zoals subtiele veranderingen in het elektromagnetische energieveld van het menselijk lichaam. Met behulp van een apparaat dat een Josephson-junctie wordt genoemd, kan een SQUID een verandering van energie detecteren die wel 100 miljard keer zwakker is dan de elektromagnetische energie die een kompasnaald beweegt. Een Josephson-junctie bestaat uit twee supergeleiders, gescheiden door een isolatielaag die zo dun is dat er elektronen doorheen kunnen. Een SQUID bestaat uit minuscule lussen van supergeleiders die Josephson-verbindingen gebruiken om superpositie te bereiken: elk elektron beweegt gelijktijdig in beide richtingen. Omdat de stroom in twee tegengestelde richtingen beweegt, kunnen de elektronen als qubits fungeren (die theoretisch kunnen worden gebruikt om quantumcomputing mogelijk te maken). SQUID's zijn gebruikt voor een verscheidenheid van testdoeleinden die extreme gevoeligheid vereisen, met inbegrip van technische, medische en geologische apparatuur. Omdat zij veranderingen in een magnetisch veld met een dergelijke gevoeligheid meten, hoeven zij niet in contact te komen met een systeem dat zij testen.

SQUIDs zijn gewoonlijk gemaakt van een loodlegering (met 10% goud of indium) en/of niobium, vaak bestaande uit de tunnelbarrière ingeklemd tussen een basiselektrode van niobium en de topelektrode van een loodlegering. Een radiofrequente (RF) SQUID bestaat uit een Josephson-junctie, die op een supergeleidende ring is gemonteerd. Een oscillerende stroom wordt aangelegd op een externe kring, waarvan de spanning verandert als gevolg van de wisselwerking tussen de kring en de ring. De magnetische flux wordt dan gemeten. Een gelijkstroom (DC) SQUID, die veel gevoeliger is, bestaat uit twee parallel geschakelde Josephson-juncties, zodat de elektronen die door de juncties tunnelen kwantuminterferentie vertonen, afhankelijk van de sterkte van het magnetische veld binnen een lus. DC SQUIDs vertonen een weerstand als reactie op zelfs zeer kleine variaties in een magnetisch veld, en dat is het vermogen om dergelijke minieme veranderingen te detecteren.

Een van de meest veelbelovende toepassingen van het apparaat is in de magnetoencephalography (MEG), het proces waarbij magnetische velden worden gemeten om beeldvorming van de hersenen mogelijk te maken. Fysische processen, zoals spier- of neurale activiteit, in mensen (en andere dieren) creëren magnetische velden van slechts een miljardste tesla (ter vergelijking: een koelkastmagneet genereert ongeveer een tiende van een tesla). DC SQUID's, in een helm-achtig apparaat, meten de stromen die door neurale activiteit worden opgewekt. De mogelijke toepassingen van SQUID in de neurowetenschappen zijn legio. In een recente studie werd gebruik gemaakt van magnetoencefalografie met behulp van SQUID's om het verrassend hoge activiteitsniveau in de hersenen van consumenten te meten dat wordt opgewekt bij het kiezen tussen (bijvoorbeeld) merken ketchup.