优化晶界结 nanoSQUID 的自旋灵敏度——迈向具有单自旋分辨率的小自旋系统探测

我们提出了基于电阻分流晶界约瑟夫森结的 nanoSQUID 自旋灵敏度的优化研究。此外，直流 SQUID 包含一个窄收缩区，可在其上放置一个小磁粒子（其磁矩位于 SQUID 环路平面内且垂直于晶界），以将其杂散磁场高效耦合到 SQUID 环路。最佳耦合位置与结的分离允许独立优化耦合因子 $\phi_\mu$ 和结特性。我们提出了计算 $\phi_\mu$（针对放置在收缩区上方 10\,nm 处的磁性纳米粒子）随器件几何形状变化的不同方法，并表明这些方法产生一致的结果。此外，通过数值模拟，我们获得了 SQUID 电感对我们器件几何参数依赖性的通用表达式，这使得能够估计它们在热白噪声机制下对 SQUID 磁通噪声谱密度 $S_\Phi$ 的影响。我们对 $S_\Phi$ 和 $\phi_\mu$ 随 SQUID 布局几何参数依赖性的分析表明，在尊重技术约束的优化参数下，自旋灵敏度 $S_\mu^{1/2}=S_\Phi^{1/2}/\phi_\mu$ 可达几个 $\mu_{\rm{B}}/\rm{Hz^{1/2}}$（$\mu_B$ 为玻尔磁子）。然而，通过与实验实现的器件进行比较，我们发现测得的白磁通噪声值显著大于理论预测。尽管如此，优化器件的自旋灵敏度达到 $10\,\mu_{\rm B}/\rm{Hz^{1/2}}$ 量级似乎是现实的。