Nature：量子传感器，揭开氢化物超导的“神秘面纱”

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2024-02-29 18:53发布于四川

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通过改造一种用于产生极高压力的设备，使其能够检测磁场，研究人员证实了一种富氢材料具有超导性，从而消除了长期以来的疑虑。

超导体是一种材料，当其温度降至临界点以下时，电阻消失——这对于高效电力传输来说极具吸引力。电阻的消失通常是材料可能具有超导性的初步迹象，但其超导身份还需要通过其他特性来支持，其中包括一种称为迈斯纳效应的现象，即驱逐磁场的能力。

论文链接：

最新的研究成果发表在《自然》杂志上，报道了在超氢化铈中观察到的迈斯纳效应的证据：他们创造性地将量子传感器集成到标准压力诱导装置中，从而直接读取了受压材料的电学和磁学特性。

超氢化铈（cerium superhydride）是一系列富氢材料的一部分，其最高临界温度接近室温。在这项实验中，科学家们巧妙地利用了一种量子装置，这种装置能够施加使超氢化铈成为超导体所需的高压，同时能够检测磁场，使得这项研究成果得以实现。

超导电性自1911年在汞中首次被发现后，一直是物理学界的热点研究领域。在这种情况下，汞在大约4.2开尔文的极低温度下展现出了超导特性，这种状态仅能通过低温冷却技术实现。

到了20世纪80年代末，一系列铜氧化物材料显示出在93开尔文的高温下具有超导性。这一温度超过了液氮的沸点，标志着超导技术的一个重要里程碑。尽管如此，科学界仍旧在寻找能在更接近室温条件下表现出超导性的材料，这将大幅度扩展超导现象在技术应用方面的潜力。

理论上，当温度低于临界温度时，电子开始在晶体晶格的振动（即声子）的协助下形成配对（称为库珀对）。这些电子对的聚集导致了超导现象的发生。因此，促进库珀对的形成是提高材料超导临界温度的关键。

在许多潜在的超导材料中，金属态的氢被认为有望在接近室温的条件下实现超导。由于氢的原子质量较低，它能产生高频声子和强电子-声子耦合作用。

然而，实验上证实这一点极具挑战性，因为形成这种氢相需要极高的压力。

在过去二十年里，研究的焦点转向了富氢系统，因为它们所需的压力相对较低。例如，2015年合成的氢化硫，其临界温度高达203开尔文，正式跨入了超导领域。

尽管如此，确认这些系统中的超导性所需的压力依旧极高。这导致了结果的灵敏度不足和巨大的不确定性，进而引发了关于其超导性质的激烈争论。

某些氢化物系统含有特定元素，阻碍了它们达到零电阻状态。因此，迈斯纳效应的证据逐渐被视为验证这些氢化物为超导体的关键。

然而，获得此类证据颇具挑战，因为在这些材料可能表现出超导性的高压力下，稳定地感应磁场极为困难。

值得注意的是，这一难题可以通过改造产生极端压力的设备来解决：金刚石压砧（the diamond anvil cell）。该设备由两块具有坚硬、抛光尖端的金刚石构成，能将样品压缩到数百吉帕斯卡（GPa，相当于一百万倍大气压）。

高压下的超导性测试。巴塔查里亚（Bhattacharyya）等人设计了一种方法来测试超氢化铈在低于临界温度的高压下显示超导性的预测。他们使用了一种名为金刚石压砧的装置，该装置由两块金刚石组成，通过在两块金刚石的尖端之间压缩样品可以产生极高的压力。a）在临界温度以上，超氢化铈不会改变外部磁场；b）作者发现，在临界温度以下，超氢化铈会排斥磁场——这是超导性的一个明显标志

金刚石可以被改造以包含一种称为氮空位（NV）中心的点缺陷，它是由晶格中的一个空位和邻近的一个氮杂质组成的。

这种结构让氮空位中心的量子能级对磁场的变化异常敏感。

在2019年，NV色心首次被应用于高压磁传感器，成功探测了高达7GPa压力下材料的迈斯纳效应。

然而，氢化物系统中的超导现象预计会在超过100GPa的压力下出现，这为实验带来了挑战。一个突出的问题是，在高压环境下，机械应力可能导致NV色心的磁场灵敏度降低，从而可能无法探测到由超导性引起的磁场变化。

巴塔查里亚（Bhattacharyya）团队解决了这个问题。他们在切割金刚石时，沿着晶格的某一轴线保护NV色心，并抑制其他轴线上的影响。这种方法提高了设备的灵敏度，并在超过100GPa的压力下实现了亚微米级的分辨率。研究者通过将测量装置集成在同一单元中，实现了电流（及其电阻）和感应磁场的同时跟踪。

利用这种技术，巴塔查里亚团队首先证明了他们的NV色心能感应高达140GPa的磁场。接着，他们对超氢化铈样品的不同位置进行了磁场测量，结果显示了与迈斯纳效应一致的行为：样品排斥磁场。同时，他们还观测到该氢化物中的电阻接近零，这强有力地支持了他们的发现。

兆帕压力下的NV传感

样品合成与表征

CeH9中的局部抗磁性

在扫频T上同时测量电阻和磁性

CeH9中的磁通捕获和磁滞

这些研究成果解决了长期争议，证明超氢化铈在91开尔文的临界温度和137GPa的压力下表现出超导性，这可以通过液氮冷却实现。

实验团队的NV传感技术可立即应用于对该系统的进一步研究，以及对其他材料的探索。还有待改进的领域，包括更好地理解为何超氢化物的合成会导致样品缩小和不均匀。一种名为“广域成像”（wide-field imaging）的技术能揭示合成过程中的反应动态，为此项研究做出贡献；这些信息反过来有助于揭示超导相的细节。

通过磁场测量，还可以估算与迈斯纳效应相关的超流体中的基本长度尺度，有助于验证超流体铈的行为是否与传统超导体理论相符。

总体而言，利用巴塔查里亚及其团队的技术进行的未来研究可能会彻底改变我们对高温超导的理解。在短期内，他们的研究成果将使超导研究人员在经历了一段充满挑战和不确定性的时期后，得以继续前进。

参考链接：

[1]https://phys.org/news/2024-02-foundational-tool-behavior-hydride-superconductors.html

[2]https://physicsworld.com/a/diamond-alignment-makes-high-pressure-magnetometry-of-superconductors-possible/

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