中國粉體網(wǎng)訊 近日,，吉林大學(xué)物理學(xué)院黃曉麗教授等人與美國加州大學(xué)伯克利分校,、勞倫斯伯克利國家實驗室,、哈佛大學(xué)的NormanYao教授團隊合作,，在高壓下超導(dǎo)富氫化物的超導(dǎo)電性實驗研究方面取得了重大突破,，利用金剛石氮-空位色心(NVcenter)量子傳感技術(shù),，成功實現(xiàn)超高壓下富氫化合物的邁斯納效應(yīng)實驗測量,。這一重大研究成果以“Imaging the Meissner effect inhydride superconductors using quantum sensors”為題，于2024年2月28日發(fā)表在Nature上,。在同期Nature上,，香港科技大學(xué)的楊森教授等人以“Quantum sensor.settles debate about superconductivity in hydrides”為題進行了亮點評述。
自從單質(zhì)Hg的超導(dǎo)電性被發(fā)現(xiàn)以來,，超導(dǎo)電性,，尤其是室溫超導(dǎo)體，一直是科學(xué)家們追逐的夢想,。高壓下的富氫化合物被視為潛在的室溫超導(dǎo)體,，因此成為相關(guān)領(lǐng)域研究的焦點。吉林大學(xué)黃曉麗教授團隊利用高溫高壓多種實驗技術(shù)途徑,，發(fā)現(xiàn)了多種新型富氫化合物(Sci.Adv.2020, 6: eaax6849,；Nat. Commun.2021,12: 273; Nat.Commun. 2023,14:2660;Natl. Sci. Rev. 2019,6: 713-718; Natl. Sci. Rev. 2024, 11: nwad107; JACS 2020,142: 2803-2811; Adv. Mater. 2022, 2200924; CCS Chem. 2022, 4,825–831)。特別是,，率先在百萬大氣壓以下獲得超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超過100K,、類金屬氫子晶格的超氫化物CeH9和CeH10 (Nat. Commun. 2019,10, 3461; Phys. Rev. Lett. 2021, 127,117001)。然而,，實驗上報道的室溫超導(dǎo)體C-S-H和Lu-N-H相繼被《Nature》撤稿,，使得人們對富氫化合物超導(dǎo)體的真實性產(chǎn)生了質(zhì)疑,。因此，研究者們亟需獲得超導(dǎo)氫化物高溫超導(dǎo)電性的完整證據(jù)鏈,，特別是驗證其超導(dǎo)邁斯納效應(yīng),，以破除富氫化物超導(dǎo)體存在的爭議。
傳統(tǒng)的測量方法,，如感應(yīng)線圈和超導(dǎo)量子干涉器件,，在極限壓力、磁場靈敏度和空間分辨率方面都有局限性,。因此,，發(fā)展新的磁探測手段和實現(xiàn)超高壓下的精確磁測量，不僅對超導(dǎo)氫化物研究,，也對整個高壓研究領(lǐng)域來說都是亟待解決的問題,。
NV色心是金剛石內(nèi)部的點缺陷，具有優(yōu)異的磁場靈敏度和空間分辨率,，是新興的量子傳感器,。利用NV色心測量技術(shù)，研究團隊能夠在高溫高壓條件下制備的微量富氫化物樣品中,，實現(xiàn)邁斯納效應(yīng)和磁通量捕獲的局部測量,。這為在同一壓力下測量超導(dǎo)電性的零電阻和邁斯納效應(yīng)提供了可能。
2019年,，來自美國,、法國以及中國的研究團隊分別獨立在Science雜志上相繼發(fā)表論文，拉開了NV色心傳感技術(shù)應(yīng)用到高壓研究領(lǐng)域的序幕,。其中NormanYao教授團隊(Science 2019,，366, 1349–1354)測量了高壓下金剛石砧面的應(yīng)力分布并表征了金屬鐵/釓隨壓力/溫度的磁性轉(zhuǎn)變。
然而,，如何將靈敏度和分辨率優(yōu)異的NV色心測量技術(shù)應(yīng)用到超高壓下富氫化合物超導(dǎo)體研究是一個新的挑戰(zhàn),。為了克服這一挑戰(zhàn)，黃曉麗教授團隊與NormanYao教授團隊合作,，選擇了能穩(wěn)定至較低壓力,、超導(dǎo)性能優(yōu)異的鈰氫化合物作為研究對象,。他們創(chuàng)新地提出在同一壓力下對同一樣品進行電學(xué)和磁學(xué)表征的實驗方案,。
圖：匹配NV色心磁測量技術(shù)及電輸運測量的金剛石對頂砧裝置示意圖，實現(xiàn)了鈰氫化合物超導(dǎo)樣品在同一壓力條件下零電阻和邁斯納效應(yīng)的協(xié)同測量,。
在實驗中,，團隊使用[111]切割方向的金剛石，最大限度地保持了沿加壓方向上NV色心的對稱性,。這使得研究團隊在百萬大氣壓以上的壓力下實現(xiàn)了對磁場絕對強度的測量,靈敏度達到35μT/√Hz,，空間分辨率達到亞微米級,。連續(xù)模式下，熒光對比度達到15%,；脈沖模式下,，自旋相干時間達到2.04 μs，拉比振蕩頻率達到25 MHz,。
基于該技術(shù),，研究團隊通過場冷(FC)和零場冷(ZFC)的方式測量了高溫超導(dǎo)體CeH9樣品在不同位置的抗磁性，獲得了與電學(xué)測量一致的結(jié)果,，有力地驗證了超導(dǎo)鈰氫化物的邁斯納效應(yīng),。此外，還在該超導(dǎo)樣品中發(fā)現(xiàn)了因磁通釘扎而產(chǎn)生的磁滯現(xiàn)象,。結(jié)果表明,，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變后磁場發(fā)生了不均勻的分布，符合超導(dǎo)體對磁場排斥的特征,，證明了超導(dǎo)樣品所具有的邁斯納效應(yīng),。基于NV色心的磁探測技術(shù)具有優(yōu)異的空間分辨率,，研究團隊按1微米的步長線性掃描了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變后樣品在特定溫度以及均勻外磁場條件下表面的抗磁分布,，實現(xiàn)了百萬大氣壓力以上的磁成像，獲得了非均勻樣品的局部抗磁性特征,，從而確定了CeH9超導(dǎo)樣品的空間分布,。
這項研究成功實現(xiàn)了百萬大氣壓條件下高靈敏度和空間分辨的磁探測，為極端條件下微量樣品的磁學(xué)測量開辟了廣闊的研究空間,。
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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