优化晶界结纳米SQUID的自旋灵敏度——迈向单自旋分辨的小自旋系统检测

我们呈现了一个基于电阻分流晶界约瑟夫森结的纳米SQUID自旋灵敏度的优化研究。此外，直流SQUID包含一个狭窄的收缩，可以在其上放置一个小磁粒子（其磁矩在SQUID环平面内且垂直于晶界），以便将其杂散磁场有效耦合到SQUID环。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。我们提出了不同的方法计算$\phi_\mu$（对于放置在收缩上方10 nm的磁性纳米粒子）作为器件几何形状的函数，并表明这些方法产生一致的结果。此外，通过数值模拟，我们得到了SQUID电感对器件几何参数依赖性的通用表达式，这允许估计它们对热白噪声区域中SQUID磁通噪声谱密度$S_\Phi$的影响。我们对$S_\Phi$和$\phi_\mu$对SQUID布局几何参数依赖性的分析得出，对于优化参数，自旋灵敏度$S_\mu^{1/2}=S_\Phi^{1/2}/\phi_\mu$为几个$\mu_{\rm{B}}/\rm{Hz^{1/2}}$（$\mu_B$是玻尔磁子），同时考虑技术约束。然而，通过与实验实现的器件比较，我们发现测量的白噪声通量值显著大于我们的理论预测。尽管如此，对于优化器件，自旋灵敏度在$10\,\mu_{\rm B}/\rm{Hz^{1/2}}$量级似乎是现实的。