中國(guó)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(guó)加州大學(xué)伯克利分校、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、哈佛大學(xué)的NormanYao教授團(tuán)隊(duì)合作，在高壓下超導(dǎo)富氫化物的超導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)超高壓下富氫化合物的邁斯納效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jìn)行了亮點(diǎn)評(píng)述。
自從單質(zhì)Hg的超導(dǎo)電性被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，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(mèng)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(diǎn)。吉林大學(xué)黃曉麗教授團(tuán)隊(duì)利用高溫高壓多種實(shí)驗(yàn)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(wàn)大氣壓以下獲得超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超過(guò)100K、類(lèi)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(shí)驗(yàn)上報(bào)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(duì)富氫化合物超導(dǎo)體的真實(shí)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(yàn)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(zhēng)議。
傳統(tǒng)的測(cè)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(chǎng)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(cè)手段和實(shí)現(xiàn)超高壓下的精確磁測(cè)量，不僅對(duì)超導(dǎo)氫化物研究，也對(duì)整個(gè)高壓研究領(lǐng)域來(lái)說(shuō)都是亟待解決的問(wèn)題。
NV色心是金剛石內(nèi)部的點(diǎn)缺陷，具有優(yōu)異的磁場(chǎng)靈敏度和空間分辨率，是新興的量子傳感器。利用NV色心測(cè)量技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)能夠在高溫高壓條件下制備的微量富氫化物樣品中，實(shí)現(xiàn)邁斯納效應(yīng)和磁通量捕獲的局部測(cè)量。這為在同一壓力下測(cè)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(lái)自美國(guó)、法國(guó)以及中國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立在Science雜志上相繼發(fā)表論文，拉開(kāi)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(tuán)隊(duì)(Science 2019，366, 1349–1354)測(cè)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(cè)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(gè)新的挑戰(zhàn)。為了克服這一挑戰(zhàn)，黃曉麗教授團(tuán)隊(duì)與NormanYao教授團(tuán)隊(duì)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(duì)象。他們創(chuàng)新地提出在同一壓力下對(duì)同一樣品進(jìn)行電學(xué)和磁學(xué)表征的實(shí)驗(yàn)方案。
圖：匹配N(xiāo)V色心磁測(cè)量技術(shù)及電輸運(yùn)測(cè)量的金剛石對(duì)頂砧裝置示意圖，實(shí)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(cè)量。
在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)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(duì)稱(chēng)性。這使得研究團(tuán)隊(duì)在百萬(wàn)大氣壓以上的壓力下實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁場(chǎng)絕對(duì)強(qiáng)度的測(cè)量,靈敏度達(dá)到35μT/√Hz，空間分辨率達(dá)到亞微米級(jí)。連續(xù)模式下，熒光對(duì)比度達(dá)到15%；脈沖模式下，自旋相干時(shí)間達(dá)到2.04 μs，拉比振蕩頻率達(dá)到25 MHz。
基于該技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)場(chǎng)冷(FC)和零場(chǎng)冷(ZFC)的方式測(cè)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(cè)量一致的結(jié)果，有力地驗(yàn)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(chǎng)發(fā)生了不均勻的分布，符合超導(dǎo)體對(duì)磁場(chǎng)排斥的特征，證明了超導(dǎo)樣品所具有的邁斯納效應(yīng)�；贜V色心的磁探測(cè)技術(shù)具有優(yōu)異的空間分辨率，研究團(tuán)隊(duì)按1微米的步長(zhǎng)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(chǎng)條件下表面的抗磁分布，實(shí)現(xiàn)了百萬(wàn)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(xiàng)研究成功實(shí)現(xiàn)了百萬(wàn)大氣壓條件下高靈敏度和空間分辨的磁探測(cè)，為極端條件下微量樣品的磁學(xué)測(cè)量開(kāi)辟了廣闊的研究空間。
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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