聚焦氦离子束技术——高温超导约瑟夫森结制备的潜力路径

|作者：徐娟1　王越2, †　王旭1, ††　金魁1

(1 中国科学院物理研究所 北京凝聚态物理国家实验室）

(2 北京大学物理学院)

本文选自《物理》2026年第1期

摘要超导约瑟夫森结基于可观测的宏观量子效应，是推动精密计量、弱磁探测、太赫兹混频等弱电应用发展的核心部件。相比低温超导约瑟夫森结，高温超导约瑟夫森结在制冷能效、上限工作频率等方面具有显著优势，然而在可控及可重复制备方面一直面临挑战。作为一种亚纳米级精度、直写式微纳加工新方法，聚焦氦离子束技术正逐渐应用于高温超导约瑟夫森结的制备与研究。文章将从技术发展历程、器件制备优势、前沿应用案例及未来前景等方面介绍聚焦氦离子束技术。

关键词高温超导约瑟夫森结，聚焦氦离子束技术，亚纳米级加工精度

01

引 言

约瑟夫森结凭借其独特的物理性质，在精密计量、高频信号处理以及微弱信号探测等弱电领域展现出巨大的应用潜力。例如，基于交流约瑟夫森效应产生的量子电压是现代电压基准的核心；基于超导约瑟夫森结的混频器可以实现比半导体混频器更低的噪声温度和变频损耗；而结合约瑟夫森结和超导环路的磁强计能够探测到地磁场百亿分之一大小的极微弱磁场(fT)。目前，低温超导约瑟夫森结的制备工艺已经相当成熟，但其应用往往依赖于极低温环境(如液氦温区，-269 ℃)，导致运行和维护成本高昂。相比之下，工作于液氮温区(-196 ℃)的高温超导约瑟夫森结则能显著降低制冷需求，同时，由于高温超导体具有更高的能隙，器件的工作频率也得以大幅提升。然而，高温超导材料往往多元复杂、相干长度短且各向异性显著，适用于低温超导材料的传统“三明治”约瑟夫森结难以在高温超导材料上实现。目前高温超导约瑟夫森结的常用制备方法主要是双晶结和台阶结等技术，在结的一致性、规模化阵列集成等方面仍面临挑战。这直接制约了器件的成品率，阻碍了基于结阵的量子电压基准的实用化，限制了微弱信号传感器信噪比的进一步提升。

聚焦氦离子束(focused helium ion beam, He-FIB)技术凭借其直写式和亚纳米级精度的加工能力，为高温超导约瑟夫森结的可控、可重复制备开辟了新路径。该技术继承自场离子显微镜(field ion microscope, FIM)的技术基础，并通过对氦离子(He+)束的精准聚焦实现了加工精度的重大突破。与传统的扫描电子显微镜相比，因为氦离子的质量约为电子的7300倍，其显著的离子质量优势可有效降低衍射效应，从而赋予FIM极高的分辨率。He-FIB技术进一步利用He+与材料相互作用时横向散射小的特性，通过对He+束进行聚焦控制使加工精度达到亚纳米量级。这一特性使He-FIB能够有效解决传统电子束或离子辐照技术制备高温超导约瑟夫森结势垒过宽的问题，避免宽势垒导致约瑟夫森耦合弱化和性能下降。另外，直写式加工模式无需依赖掩膜工艺，制备参数可实现精准调控，这不仅显著提升了结制备的重复性，更为实现高温超导约瑟夫森结大规模化阵列集成提供了可靠的技术路线。

02

聚焦氦离子束技术的发展历程

He-FIB技术的发展与FIM[1]的发明密切相关。FIM由穆勒(E. W. Müller)于20世纪50年代发明，其简化结构如图1(a)所示[2]。它包含一个低温冷却的金属针尖(典型金属为钨)，该针尖被施加高正电压。针尖尖端锐利(半径约100 nm)，局部电场强度很高(≥1010 V/m)。当向针尖周围引入氦气等惰性气体时，高电场使中性氦原子极化，使其被吸引在针尖附近，在针尖最突出的原子位置处产生量子隧穿效应，电子从氦原子隧穿至针尖，使氦原子电离(场致电离)。带正电的氦离子随即被电场加速离开针尖，射向接地的荧光屏或其他成像设备，形成与针尖原子排列一一对应的明亮像点。值得注意的是，针尖的低温冷却降低了氦原子及离子的热运动动能，避免了室温下氦原子热运动导致的电离效率降低和成像分辨率下降，确保了氦离子成像与针尖原子的精确对应。图1(b)显示了一张典型的钨针尖FIM图[3]，此方式使人类首次实现了对物质中原子排列的直接观测[4]。

图1 (a)场离子显微镜(FIM)的简化结构示意图[2]；(b)一张典型的钨针尖FIM图像[3]

FIM的研究使人们认识到，有可能发展基于氦气等惰性气体的气体场离子源(gas field ion source, GFIS)。我们知道，传统的扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)通过聚焦电子束进行扫描成像，但由于电子质量非常小，其聚焦束斑直径受电子衍射效应限制，且电子撞击样品时散射效应很强，与样品的相互作用体积大，导致SEM的成像分辨率通常限制在2—5 nm。相比之下，氦离子的质量是电子的7000多倍，德布罗意波长远小于电子(例如，在20 keV能量下，氦离子的德布罗意波长约为10-4 nm，比电子低两个数量级)。因此，若使用氦离子进行显微成像，衍射效应将显著减弱，有望把成像分辨率提升至亚纳米，达到原子尺度。这一优势驱动着人们对气体场离子源，特别是氦离子源进行持续研究。

与电子显微镜需要高亮度电子束类似，氦离子显微镜(helium ion microscope, HIM)的构建需要高亮度的氦离子源，并希望离子源具有优良的单色性(即离子能量分布窄)，以便将氦离子束聚焦至更小尺寸(即实现更小束斑的He-FIB)，提高成像分辨率。离子源的归一化亮度

B

r 定义为

B

r =

AΩV

)，单位为Am -2 sr -1 V -1 ，其中

为电流，

A

为离子源有效面积，

为离子束立体角，

V

为加速电压。在FIM中，针尖前端一般呈大致半球形形状，如图1(b)所示，此时有很多束氦离子束(数百甚至上千束)从针尖前端一系列原子位置附近射出。实验表明，单个氦离子束(对应针尖前端单个原子位点)的能量分布可低于0.5 eV，具有优良的单色性 [5] 。然而，由于针尖附近有限的氦气要供给众多的氦离子束发射，单个氦离子束的亮度(束流)有限。为提高亮度，一种策略是将多束氦离子束合并为一束，但研究表明此方式实现起来难度很大 [2] 。

为提高氦离子束亮度或者说提升气体场离子源性能以实现He-FIB和构建HIM，人们也提出了其他各种策略，如改变针尖构型、采用其他形式或工作原理的离子源等，相关研究取得了一定进展[6]。值得指出的是，在这期间，液态金属离子源(liquid metal ion source, LMIS)于20世纪70年代问世，其中以镓(Ga)离子源为主。与气体场离子源不同，液态金属离子源无需低温冷却(Ga的熔点约为300 K)，操作简便，且能产生高束流，具有良好的稳定性和使用寿命。再结合重Ga离子对样品的溅射、修饰或注入作用，液态金属离子源(或Ga-FIB)迅速在半导体等微纳加工领域得到广泛应用。不过，液态金属离子源的亮度仍不是很高(归一化亮度约1×106 Am-2sr-1V-1)，离子能量分布还不够小(约2—40 eV)，束斑尺寸仍在2 nm以上[7]。同时，与镓相比，氦为惰性元素，质量又轻得多(约为镓原子的1/17)，因此氦离子对样品的溅射效应及对样品的电学、化学等特性的影响要小得多，除可用于更高分辨的成像外，也更适合对生物样品等敏感样品进行精细加工或修饰。在此背景下，He-FIB或高亮度气体场离子源的研究仍备受关注。

图2 (a)新型三棱锥金字塔形针尖及相应的氦原子电离示意图[2]；(b)该新型针尖所对应的FIM图[8]

氦气体场离子源的突破发生在2005到2006年。ALIS公司设计了一种新型金属针尖形状，其末端为三棱锥金字塔形(图2(a))[2]，而非FIM中常见的半球形。金字塔形顶端由三个原子构成的稳定组态(称为“三聚体”，trimer)形成，此处电场最强，氦原子电离及氦离子束发射均在此三个原子前方进行。偏离金字塔形顶端的其他区域电场迅速下降，无法满足氦原子电离条件，因此基本无氦离子束发射(图2(b))[8]。原先FIM中针尖附近有限的氦气需供给数百束氦离子束发射，而新设计仅需供给三束，从而使单束氦离子束电流增加两个数量级以上，亮度显著提高。据估算，单束氦离子束的归一化亮度可达1×109 Am-2sr-1V-1，比液态金属离子源高三个数量级[3]。利用光阑（aperture）选择三束氦离子束中的一束，通过负电势的引出电极(extractor)将其引出，再通过离子光学柱(ion optical column)实现离子束聚焦及样品表面扫描，ALIS公司成功构建了HIM(图3)[9]。该离子源除具有高亮度和低能量分布外，还具备较长寿命，且新型针尖金字塔尖端可原位重复制备。这些特点为氦气体场离子源的实用化及HIM设备的商业化奠定了基础。

图3　由ALIS公司(后并入Zeiss公司)构建的HIM结构组成示意图[9]

如图3所示，由ALIS公司研制的HIM整体架构与传统SEM相似，但具体部件因适配氦离子源及氦离子束聚焦特性而有所差异。在HIM中，氦离子源由液氮冷却至约75—80 K，氦离子束流可通过调节氦气压强简便控制，而SEM或Ga-FIB中的束流调整一般需通过改变物理光阑和束流光学元件来实现。相比SEM，氦离子束的会聚角更小，HIM景深更大。结合氦离子弱得多的衍射效应，He-FIB束斑尺寸估测最小可低至0.25 nm[2]。HIM可采用二次电子进行成像(与SEM相似)，且其更高的二次电子产额可赋予图像更高质量。除二次电子外，HIM也可利用背散射离子、光子等进行成像，对预先减薄的样品也可采用透射模式成像。

还需指出的是，相对于电子束或镓离子束，氦离子束与样品的相互作用体积要小得多。例如，图4对比了镓离子束、电子束及氦离子束轰击硅衬底时粒子散射轨迹的蒙特卡罗模拟结果：镓离子束和电子束进入样品后发生显著的横向散射，相应的二次电子激发位置相对于束流轰击点可存在明显的横向偏离，导致相互作用体积变大及成像分辨率下降；而氦离子束进入样品后至少在最初的几十纳米厚度内保持了良好的准直性，横向散射很小，二次电子激发仍局限于束流轰击点附近区域，对应着显著减小的相互作用体积和更高的样品表面成像分辨率。这也为He-FIB对样品进行高分辨精细结构加工奠定了基础。

图4　不同粒子束轰击硅衬底时轨迹的蒙特卡罗模拟对比图[8]

He-FIB展现的高分辨成像能力和高精度样品加工潜力引发了人们的广泛关注。ALIS公司成功研制HIM设备后并入Zeiss公司，后者于2007年推出首款商用 HIM设备ORION。He-FIB离子束的能量可在10—30 keV范围内调节，束流可在0.1—100 pA范围内调节，30 keV时成像分辨率可达0.5 nm。该设备可以应用于生物细胞、二维材料等的高分辨成像，以及固态纳米孔、纳米磁性器件等的高精度加工或制备[3]。其直写式、亚纳米结构制造能力也为高温超导约瑟夫森结及相关超导器件的研制提供了新的契机。

03

He-FIB技术在高温超导器件制备中的优势

1962年，约瑟夫森(B. D. Josephson)从理论上预言，当两个超导体被一薄势垒层隔开时(如图5(a)所示，该结构被称为约瑟夫森结)，库珀对可从一侧超导体量子隧穿至另一侧，即出现约瑟夫森效应。约瑟夫森效应包括：(1)直流约瑟夫森效应，表现为当结两端电压为零时，可存在一直流电流无阻地通过结区，其电流密度可表达为

j

j

c sin

，其中

j

c为约瑟夫森临界电流密度，

为结两侧超导体波函数的相位差。此时在结的

V

特性曲线上可实验观测到一零电压超导电流，如图5(b)所示 [10] ；(2)交流约瑟夫森效应，当结两端施加直流电压

V

0时，将产生交变约瑟夫森超导电流，其频率为，其中为磁通量子，

e

为电子电荷，

h

为普朗克常数。此时若另有频率为

f

1的微波照射约瑟夫森结，结的

V

特性曲线上将呈现一系列竖直台阶(称为Shapiro台阶)，台阶处的电压值

V

n=

nΦ

0

f

1，如图5(c)所示 [11] 。

图5　约瑟夫森结的结构示意图(a)，以及直流(b)和交流(c)约瑟夫森效应下的

V

特性曲线 [10，11]

约瑟夫森结因其独特的宏观量子相位相干性、非线性量子动力学特性以及超导态零耗散特性等，在精密计量、高频信号处理及高灵敏度信号探测等领域彰显出突出的应用优势。基于交流约瑟夫森效应的量子化电压台阶仅取决于基本物理常数(

h

e

)和微波辐照频率

f

，使约瑟夫森结及结阵列成为量子电压基准的核心元件。基于非线性电流—相位关系构成的约瑟夫森混频器具有极低噪声温度、超高频率响应(大于0.1 THz)及宽工作带宽的优势，并且相比传统半导体混频器具有更低的太赫兹频段变频损耗，甚至有望实现正的变频增益。若将一个或两个约瑟夫森结嵌入超导环，可结合约瑟夫森效应及超导环的磁通量子化现象构成射频(RF)或直流(DC)超导量子干涉器(SQUID)。SQUID的输出电压是通过超导环磁通的周期函数，周期为磁通量子

0 ，基于此构建的SQUID磁强计可实现10 ⁻15 T (fT)量级的微弱磁场探测，在生物磁、地质勘探及无损检测等领域具有重要应用 [12] 。

基于传统低温超导体(如Nb)的超导约瑟夫森结，受限于所使用超导体的超导转变温度(

T

c )，一般工作于液氦(4.2 K)或更低的温度，制冷成本和要求较高。相比之下，利用高

T

c 的铜氧化物高温超导体(典型材料为钇钡铜氧，YBa 2 Cu 3 O 7-

，简写为YBCO)制备的高温超导约瑟夫森结则可工作于液氮温度(77 K)，制冷成本和要求大幅降低。另外，超导体的超导能隙限制着约瑟夫森结的最高工作频率，相对于低温超导体，高温超导体的超导能隙(

)要大得多(对于Nb，

~1.5 meV；对于YBCO，

~20—40 meV)，其意味着高温超导约瑟夫森结可具有更高的工作频率或响应速度，这对于开发更高速或更高频率响应的超导器件或线路具有重要意义 [13] 。这些制冷需求及性能参数等方面的特点，使得高温超导约瑟夫森结及相关高性能超导器件的开发和应用备受关注。

超导约瑟夫森结的制备质量与工艺可重复性是保证器件性能及实现其规模化应用的关键。当前，对传统低温超导约瑟夫森结，主要为超导—绝缘层—超导的三明治结构，其制备工艺已相对成熟，不同样品之间结参数的一致性和可控性良好。相对照，高温超导约瑟夫森结的制备则困难许多，制备工艺的可重复性及结参数的可控性和一致性仍面临挑战。这是因为铜氧化物高温超导材料具有元素组成多、结构复杂、超导相干长度极短且各向异性强(如对YBCO，其

ab

面内的超导相干长度约为2 nm，

c

轴方向上相干长度则约为0.2 nm) [14] 等特点。这使得高温超导约瑟夫森结很难采用传统低温超导约瑟夫森结的三明治结构来制备，同时意味着材料中原子尺度的结构缺陷或化学组分(如氧含量)变化都可能对约瑟夫森结的性能产生重要影响 [15] 。这为高温超导约瑟夫森结的可靠、可控和可重复制备提出了难题。

基于上述高温超导体的特性，人们利用材料中的晶界形成弱连接，研发出了晶界结这一目前得到广泛采用的高温超导约瑟夫森结制备技术，其主要包括双晶结和台阶结两种类型[15]。双晶结(图6(a))是在双晶衬底(由两块取向不同的单晶基片经烧结等工艺结合而成)上外延生长高温超导薄膜，由衬底在薄膜中诱导出晶界而形成的晶界结。台阶结(图6(b))则是在单晶衬底上刻蚀出台阶然后外延生长高温超导薄膜，利用台阶边沿两侧薄膜取向不同形成晶界而实现的晶界结。总体而言，双晶结的性能依赖于双晶衬底及外延薄膜的质量[16]，衬底成本高，结的位置受衬底限制；台阶结的位置选择相对灵活，不过其性能依赖于台阶的微观结构，对加工工艺有着严苛的要求[17—18]。这些特性使晶界结在达成高温超导约瑟夫森结的一致性、可重复制备，尤其是结阵列高质量、大规模集成上存在一定的局限。

除晶界结以外，利用电子束[19，20]或离子(如氧、氩、氖等离子)[10，11，21—28]辐照高温超导薄膜的特定区域，在其中引入无序或缺陷(如氧移位等)使超导电性变差(

T

c 降低)或失去超导电性(转变为正常导体或绝缘体)，进而在该区域和其两侧未辐照薄膜区域之间引发约瑟夫森效应，也是制备高温超导约瑟夫森结的重要途径。在此方式中，为提高结的性能，人们期望在合适的辐照剂量下辐照区域的宽度能尽量小。因此，在实践中离子辐照一般采用掩膜的方式进行，即采用微纳加工(如电子束曝光)在高温超导薄膜上方的掩膜层中制备出一个尽量窄的缝隙来限定辐照的区域，然后进行离子辐照(图6(c)) [29] 。一方面，受限于加工工艺的精度和条件，掩膜缝宽一般在20 nm或以上；另一方面，上述离子(电子束类似)进入薄膜后会发生显著的横向散射(类比图4)，使有效的辐照区域实际上更宽(可达100 nm)，远大于高温超导体的相干长度 [28] 。这使得目前电子束或离子辐照制备的高温超导约瑟夫森结的性能尚不理想，如结的特征电压

V

c (正比于结的最高工作频率，

V

c=

c

R

n，

c为结的约瑟夫森临界电流，

R

n为结的正常电阻)往往偏低，结的工作温度有时达不到液氮温度，影响了器件的实际应用。另外，掩膜及微纳加工工艺的要求也对结的一致性、规模化阵列集成增加了难度。

图6　几种高温超导约瑟夫森结的制备方法 (a)双晶结[15]；(b)台阶结[15]；(c)掩膜离子辐照[29]；(d)聚焦氦离子束(He-FIB)辐照[30]

因此，为实现高性能高温超导约瑟夫森结的可控、可重复制备以及规模化阵列集成，之前仍面临一些瓶颈，亟需开发一种新的加工技术——该技术需具备相对简便、稳定的操作特性，同时又要拥有接近原子尺度的控制精度。如前所述，He-FIB可具有0.5 nm的束斑且在样品中可保持良好的准直性，基于这些特性，可利用He-FIB直接辐照高温超导薄膜，通过高速氦离子的轰击，在很窄的宽度范围内改变薄膜的元素分布或组成，在薄膜晶格中引入原子移位等晶格缺陷(比如将Cu-O链上的氧原子移位至晶格间隙处)，进而降低或完全破坏此处薄膜的超导电性，实现一个宽度很窄的弱连接的制备。这种引入弱连接的方式有可能为高温超导约瑟夫森结的制备提供突破性解决方案。具体而言，该方案的特点或优势包括：(1)纳米级加工精度。通过He-FIB的亚纳米束斑及样品内良好的准直性可实现对结区尺寸及界面的精细操控。这不仅对保证结的性能有重要意义，也有助于满足结阵列等应用中对约瑟夫森结高密度集成的需求；(2)无掩膜直写加工。He-FIB辐照不需要掩膜，可实现原位直写加工。这不仅大大简化工艺流程，也将避免或减少传统工艺所带来的掩膜污染、加工参数涨落等风险，将显著提升结制备的方便程度及其一致性和均匀性；(3)灵活与可调节性。利用He-FIB，结的位置可灵活选择、不受限制，这便于结器件的功能设计及结阵列的规模化集成。通过调节He-FIB的辐照剂量，可定量调节结的性能参数从而优化结的制备及满足不同应用场合的需求。综合上述特性，可以看到，利用He-FIB辐照制备高温超导约瑟夫森结在解决结的可控、可重复制备以及规模化阵列集成方面具有很大的应用潜力。正因如此，在2015年美国加州大学S. A. Cybart等人[30]首次报道利用He-FIB辐照成功制备YBCO高温超导约瑟夫森结之后，这一工作迅速受到大家的广泛关注，相关研究小组纷纷投身其中，不断对这一方法进行深入的探索和研究。

04

前沿应用案例

图6(d)对利用He-FIB技术在YBCO薄膜上直写约瑟夫森结作了示意描绘[30]。通过调节He-FIB的辐照剂量，可调控YBCO约瑟夫森结的特性，这在S. A. Cybart团队2015年的里程碑式工作中得到了清晰的展现。他们的实验表明，只需调整He+剂量即可连续调控势垒性质：辐照剂量由2×1016 ions/cm2增至6×1016 ions/cm2时，势垒从金属性(

R

n 随温度的下降而减小)变为绝缘性(

R

n 随温度的下降而增大)，同时临界电流

c 由(1-

T

T

c ) 2 的温度依赖(超导—金属—超导SNS结的特性)变为更弱的温度依赖且在低温趋近于不变(超导—绝缘—超导SIS结的隧穿特性)，如图7(a)，(b)所示。2019年，德国图宾根大学B. Müller团队 [31] 进一步给出了定量关系：临界电流

j

c ∝exp(-

D

D

0 )。上述结果一致证明，调节He-FIB剂量可以实现对结区势垒精准、可重复的调控。

图7　高温超导约瑟夫森SNS结(a)和SIS结(b)的临界电流

c 和电阻

R

n 与温度的依赖关系 [30]

通过He-FIB辐照剂量对高温超导约瑟夫森结结区势垒和超导特性的调控，使全直写高温SQUID已成为现实，这又为超导量子器件的纳米集成提供了新范式。2015年，S. A. Cybart团队以4×1016 ions/cm2的辐照剂量，制备了基于SNS结的SQUID，在50 K温度下磁通噪声水平为20 μΦ0/Hz1/2@10 Hz，对应的磁场噪声为20 pT/Hz1/2[32]。2018年，该团队进一步实现了“零刻蚀”SQUID制备工艺：首先采用高剂量辐照扫描YBCO薄膜特定区域(如方形或圆形)，通过完全抑制这一区域的超导电性形成SQUID环孔，然后采用中等剂量辐照环路上特定位置形成约瑟夫森势垒[33]。通过一个步骤定义了SQUID的几何形状与结区，显著简化了流程并提升了可扩展性。2019年，B. Müller团队[32]也采用类似的直写辐照、无需刻蚀薄膜的方式定义SQUID环孔，在镧锶铝钽氧化物(LSAT)衬底上，制备出环路电感仅20 pH的高温SQUID，4.2 K下白噪声水平为500 nΦ0/Hz1/2，已与传统性能良好的低温SQUID的噪声基底相当，为后续实现极低磁通噪声水平的超高灵敏高温SQUID传感器奠定了核心技术基础。

单个SQUID构成的传感器在带宽、工作频率和动态范围等方面存在局限。将多个(

N

个)SQUID以串联、并联或混联方式阵列化，可在理论上将信噪比提高

√N

倍。然而，阵列规模扩大后，结参数的空间均匀性、芯片面积压缩及高频电磁波与各SQUID单元的均匀耦合都面临显著增加的技术难度，已成为制约器件性能提升的核心瓶颈。He-FIB技术凭借其纳米级加工精度和精细调控势垒层的能力，有望实现“高均匀度+高密度”SQUID阵列的集成。2020年，S. A. Cybart团队首次在100 μm×100 μm内集成了84个微型SQUID(单环25 μm 2 ) [34] 。2024年，通过进一步缩小环路至亚微米尺度，结合串并联组合方式增大了电压调制深度和电压—磁场传输函数(d

V

B

) [35] 。

然而，SQUID阵列动态范围与工作带宽的进一步拓展仍然存在较大难度。2019年，S. A. Cybart团队提出采用长约瑟夫森结阵列进行磁场探测的方案。利用He-FIB技术将数百个(400或600)YBCO约瑟夫森结进行串联，得到具有高动态范围、高线性响应的磁场传感器，串联结阵的不均匀性约为25%，电压—磁场传输函数(磁场探测灵敏度)为42 mV/mT(71 K)[36]。2022年，串联阵列规模扩大至2640结，40 K时传感器的灵敏度达到1.7 mV/μT，动态范围为117 dB，线性响应磁场范围为10.6 μT，为高温超导弱磁探测摆脱传统SQUID带宽极限提供了全新技术路线[37]。

除SQUID器件外，He-FIB技术也为其他高温超导电子器件带来变革性应用。2024年，M. Pröpper等人[38]利用He-FIB技术将YBCO约瑟夫森结集成到U形天线的馈点，利用结电阻

R

n (约7 Ω)与天线10 Ω的精准匹配，提高1 THz、1.3 THz和1.4 THz的辐射耦合效率后，在实验上观测到了对应频率的Shapiro台阶。这直接证实了YBCO约瑟夫森结在THz应用(如探测器、混频器、振荡器等)中的可行性。

国内科研机构(如北京大学、中国科学院物理研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所等)对He-FIB技术制备高温超导约瑟夫森结也十分关注，尤其是液氮温区性能的提高。北京大学团队利用He-FIB技术考察了不同剂量下YBCO约瑟夫森结的制备及特性，并初步展示了结制备的一致性和可控性[39]。中国科学院物理研究所[40]和中国科学院上海微系统与信息技术研究所[41]也利用He-FIB技术实现了高质量YBCO超导约瑟夫森结的制备，图8(a)展示了He-FIB加工的YBCO约瑟夫森结的结区形貌。两个研究所面向应用需求，也开展了应用导向的基础研究。物理所团队聚焦YBCO约瑟夫森结及串联阵列关键参数的系统性提升，旨在为高性能太赫兹混频器(单结高

c

R

n )与低噪声放大器(万级结阵)的研制奠定技术基础。经薄膜生长与微纳加工工艺多轮迭代，在液氮温区(77 K)实现了YBCO约瑟夫森结性能指标的优化：

c 达到332 μA，

R

n 达到0.72 Ω，

c

R

n 值为0.24 mV，如图8(b)所示。同时，YBCO串联结阵(16个约瑟夫森结串联)的

c 不均匀度可低至4.7%，如图8(c)所示。上海微系统所聚焦77 K的高温SQUID磁强计和梯度计的研制，通过优化He-FIB和退火工艺，结合2英寸薄膜带来的有效面积提升，实现了噪声优于100 fT/Hz 1/2 @77 K的磁强计和2 pT/cm·Hz 1/2 @77 K的梯度计，为地球物理探测和工业无损检测奠定了芯片基础 [41] 。

图8 He-FIB加工的YBCO结区实物图(a)，以及77 K下单个约瑟夫森结的

V

特性曲线(b)和结阵列的

c 分布图(c)

05

未来前景

聚焦氦离子束技术凭借其亚纳米级加工精度、可精确调控辐照剂量及优异的过程可重复性，为高温超导约瑟夫森结在液氮温区实现高密度集成与高质量可控制备提供了切实可行的技术路径。目前，基于该技术制备的高温超导约瑟夫森结已成功应用于SQUID器件中，展现出良好的器件性能与稳定性。除此之外，该技术在太赫兹混频、量子电压基准等弱电应用领域也展现出重要潜力。例如，通过He-FIB制备的高正常态电阻约瑟夫森结可与太赫兹天线实现良好的阻抗匹配，从而提升耦合效率，为其在高频信号处理领域的应用奠定基础。在未来的研究中，如何进一步发挥He-FIB技术的可控优势，针对不同功能器件的具体需求进行精准定制，成为推动其实际落地的关键方向。当前，尽管该技术在结制备方面已取得显著进展，但在提升串联结阵中约瑟夫森结数量与参数一致性方面，仍存在提升空间。可以预见，随着工艺的不断成熟与集成方案的继续优化，聚焦氦离子束技术有望为高温超导约瑟夫森器件走向规模化、标准化与拓展至多应用场景，注入新的发展动能。

参考文献

[1] Hren J J，Ranganathan S. Field-ion Microscopy. Springer，1968

[2] Ward B W，Notte J A，Economou N P. J. Vac. Sci. Technol. B，2006，24：2871

[3] Hlawacek G，Gölzhäuser A. Helium Ion Microscopy. Springer，2016

[4] Müller E W. Journal of Applied Physics，1956，27：474

[5] Ernst N，Bozdech G，Schmidt H et al. Applied Surface Science，1993：67，111

[6] Tondare V N. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum，Surfaces，and Films，2005，23：1498

[7] Höflich K，Hobler G et al. Appl. Phys. Rev.，2023，10：041311

[8] Hill R，Notte J，Ward B. Physics Procedia，2008，1：135

[9] Morgan J，Notte J，Hill R et al. Microscopy Today，2006，14：24

[10] Bergeal N，Lesueur J et al. Journal of Applied Physics，2007，102：083903

[11] Sharafiev A，Malnou M et al. Supercon. Sci. Technol.，2018，31：035003

[12] Zheng D N. Acta Physica Sinica，2021，70：018502

[13] Chen J，Kurigata Y et al. IEEE Transactions on Appiled Superconductivity，2003，13：1143

[14] Hassan A A E，Labrag A et al. Physica Status Solidi B，2021，258：2100292

[15] Hilgenkamp H，Mannhart J. Reviews of Modern Physics，2002，74：485

[16] McDaniel E B，Gausepohl S C et al. Appl. Phys. Lett.，1997，70：1882

[17] Du J，Lazar J Y，Lam S K H et al. Superconductor Science and Technology，2014，27：095005

[18] Lam S K H，Lazar J，Du J et al. Superconductor Science and Technology，2014，27：055011

[19] Tolpygo S K，Shokhor S et al. Appl. Phys. Lett.，1993，63：1696

[20] Pauza A J，Campbell A M，Moore D F et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，1993，3：2405

[21] Cybart S A，Anton S M，Wu S M et al. Nano Letters，2009，9：3581

[22] Tinchev S S. Supercond. Sci. Technol.，1990，3：500

[23] Chen K，Cybart S A，Dynes R C. Appl. Phys. Lett.，2004，85：2863

[24] Bergeal N，Grison X et al. Appl. Phys. Lett.，2005，87：102502

[25] Ouanani S，Kermorvant J et al. Superconductor Science and Technology，2016，29：094002

[26] Couëdo F，Recoba Pawlowski E et al. Appl. Phys. Lett.，2019，114：192602

[27] Kang D J，Burnell G et al. Appl. Phys. Lett.，2002，80：814

[28] Chen K，Cybart S A，Dynes R C. IEEE Transactions on Appiled Superconductivity，2005，15：149

[29] Sirena M，Matzen S et al. Journal of Applied Physics，2009，105：023910

[30] Cybart S A，Cho E Y et al. Nature Nanotechnology，2015，10：598

[31] Müller B，Karrer M et al. Physical Review Applied，2019，11：044082

[32] Cho E Y， Ma M K et al. Appl. Phys. Lett.，2015，106：252601

[33] Cho E Y，Li H et al. Appl. Phys. Lett.，2018，113：162602

[34] Cho E Y，LeFebvre J C，Dynes R C et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2020，30：1100403

[35] Li H，Cai H et al. Appl. Phys. Lett.，2024，124：192603

[36] LeFebvre J C，Cho E，Li H et al. AIP Advances，2019，9：105215

[37] LeFebvre J C，Cho E，Li H et al. Journal of Applied Physics，2022，131：163902

[38] Pröpper M，Hanisch D et al. IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2024，34：1100505

[39] Chen Z，Li Y et al. Chin. Phys. Lett.，2022，39：077402

[40] Wang X，Chen F et al. Electromagnetic Science，2024，2：0070092

[41] 李浩 等. 基于聚焦氦离子束技术的液氮温区高温超导SQUID磁强计与梯度计的研究进展 . 第十八届全国超导薄膜和超导电子器件学术研讨会，贵州，2024年，8月14—17日

（参考文献可上下滑动查看）

应用物理专题 往期回顾

欢迎订阅2026年《物理》杂志

期刊介绍

01

《物理》是由中国科学院物理研究所和中国物理学会主办的权威物理类中文科普期刊，注重学科性与科普性相结合，秉承“轻松阅读，享受物理”的办刊理念，集学科大家之力，追踪物理学成果，服务物理学领域，促进学科交叉，让科学变得通俗易懂。已成为我国众多物理专业的大学生、研究生、物理学家案头常读的刊物之一。

作者：众多活跃在科研、教学一线的院士、专家。

读者：物理学及其相关学科(如化学、材料学、生命科学、信息技术、医学等)的研究人员、教师、技术开发人员、科研管理人员、研究生和大学生，以及关注物理学发展的读者。

栏目：特约专稿、评述、热点专题、前沿进展、实验技术、研究快讯、物理攫英、物理学史和物理学家、物理学漫谈、物理教育、人物、科学基金、物理新闻和动态、书评和书讯等。

期刊订阅

02

订阅方式：编辑部直接订阅优惠价240元/年，全国包邮。

方式1

- 微信订阅 -

(此订阅方式仅针对需要对公开电子发票的读者，且务必提供正确的单位名称和单位税号)

在“物理所财务处”微信公众号缴费，操作如下：公号下方“业务办理”-“订刊费”-收费部门“《物理》编辑部”，之后填写相应信息。如有问题，可添加编辑微信咨询：18627635857。

方式2

- 银行汇款 -

开户行：中国农业银行北京科院南路支行

户 名：中国科学院物理研究所

帐 号：11250101040005699

（请注明“《物理》编辑部”，汇款成功后请及时联系编辑部登记邮寄地址）

编辑部联系方式：

咨询电话：010-82649277；82649029

Email：physics@iphy.ac.cn

赠阅活动

03

为答谢广大读者长期以来的关爱和支持，《物理》编辑部特推出优惠订阅活动：凡直接向编辑部连续订阅2年《物理》杂志，将获赠《岁月有情- <物理> 50周年纪念本》。内有自1972年至2022年《物理》发表的50篇精选文章信息，扫描对应的二维码，可重温经典之作，感悟物理科学的真谛，领略学科大家的风采。希望读者们爱上《物理》!