专家从独特角度揭秘【Nature】“金刚钻”成超导特性试金石

以下文章来源于墨子沙龙 ，作者墨子沙龙 墨子沙龙. 墨子沙龙是中国科学技术大学上海研究院于2016年起举办的沙龙活动，主要以面向大众的自然科学科普为主，后期还将陆续添加人文、艺术、健康等主题的讲座或讨论内容。墨子沙龙每月一次，邀请国内外知名科学家为大家讲述科学的那些事儿。 量子传感器利用量子系统对外界环境变化高度敏感的特性实现对物理量的观测，可以实现对探测精度和灵敏度的优化进而突破经典传感技术的探测极限。未来，量子传感器有望在医疗诊断与成像、高精度导航、地球观察与监测等众多领域提供最为精确且灵敏的测量手段，有望从各个角度改善人类的生命和生活质量。 2024年2月28日的《自然》杂志介绍了哈佛大学研究团队关于将量子传感器集成到标准压力感应装置的最新成果。这种被称作金刚石压砧的设备通过两块切割有光亮面的金刚石对微量材料施加压力，从而直接通过切割面上的氮-空位（NV）色心测量被加压材料的磁学特性。利用这一方法，研究人员发现了铈超氢化物（CeH9）中的迈斯纳效应，这一发现首次证实了这种富含氢的材料在约一百万大气压下的超导性，验证了长期存在的理论预测。 超导性自1911年在汞中首次发现以来，由于其在节约能源领域的巨大潜力而被科学家所重视。然而，该超导现象只在极低温（约4.2K，对应零下268.95℃）下出现，虽然上世纪80年代末，某些铜氧化物被证实在高达93K（零下180.15℃）的温度下展现出超导性，但距离室温条件下展现超导性的材料还有很远，室温超导材料的发现将极大扩展超导这种特殊状态的应用潜力。 ▲图1 《三国（2010）》剧照展现铁索连舟场景 理论预测，当温度低于临界值时，电子会开始形成库珀对，通过晶格振动（声子）进行耦合，而库珀对的凝聚导致了超导现象（电流可以无损耗通过材料），因此刺激库珀对的形成能够提高材料的超导临界温度。赤壁之战中，曹操的军队不善水战，单个小舟在长江波涛中摇晃不止，将士们晕船严重，战斗力下降，就像在普通材料中通行的电子，总会遇到阻力损耗电流。而当使用铁索连舟，大批的小船连在一起后，抵御风浪的能力大大增强，将士们也无惧风浪，如履平地，可以保持正常的战斗力，就像电子在超导临界温度下堆积，可以无损耗的通过材料。由于金属氢的低原子质量使其能够支持高频声子和强电子-声子耦合，有人预测其在接近室温下表现为超导体。然而，形成该种氢相需要的超高压使得在实验上验证这一预测极具挑战性。 在过去二十年中，科研兴趣已转向需要较低压力的富氢体系。例如，2015年，硫化氢在203K（零下70.15℃）的相对高临界温度下展现超导性，使其成为超导研究的焦点。但是，确认这些系统的超导性需要高压操作，而高压操作可能导致测量的灵敏度降低，不确定性增加，这就引发了对这些结论可靠性的激烈争论。一些氢化物系统中还包含可能阻止其呈现零电阻的因素，因而迈斯纳效应日益被视为证明氢化物确实具备超导性的关键证据。 不过，这样的证据也难以获得，因为在预期这些材料表现出超导性的高压下，以稳定方式测量磁场极具挑战。科研人员早先发现，可以通过利用生成这些极端压力的设备——金刚石压砧的特性来克服这个障碍。这个装置包括两枚金刚石，其顶面坚硬且经过抛光，可以将样品加压到数百GPa（一百万倍大气压）。这些金刚石可以被人工注入名为氮-空位（NV）色心的点缺陷，该缺陷由晶格中的一个空位和附近的氮杂质组成。这个组合使得NV色心的量子能级对磁场的变化特别敏感。 ▲图2 艺术示意图：金刚石压砧压力单元中的NV色心，它能够检测高压超导体排斥磁场的情况（迈斯纳效应）。 NV色心在2019年首次被用作高压磁场传感器，后续还被用来探测在高达7GPa压力下的材料的迈斯纳效应。然而，在氢化物系统中显现出超导性估计需要的压力超过100GPa，这对金刚石NV色心探测磁场提出了挑战：在高压下，机械应力会导致NV色心的磁场灵敏度下降，因此可能无法检测到超导材料如何改变磁场。 哈佛大学研究团队通过特殊切割金刚石，保护了一个晶格轴向上的NV色心，同时抑制了其他轴向上NV色心的影响，成功解决了这一难题。具体来说，金刚石压砧被裁切成[111]-晶向。这种特殊的晶向切割使得在该特定晶格方向上的NV色心受到的应力保持特定的对称性，而其他方向上的NV色心由于对称性破缺而受到影响，因此能够保持特定方向NV色心的光学对比度，即使在非常高的压力下也能进行稳定的磁性测量。这种精妙的技术设计大幅提高了设备的灵敏度，即便在100GPa以上的压力下，也能够提供亚微米级的空间分辨率。研究团队实现了在同一装置中嵌入测量设施，以便同时追踪电流变化和测量磁场。 通过这种创新方法，研究团队首次展示了他们的NV色心能在高达140GPa的压力下测量磁场。接着，他们在铈超氢化物样品的不同位置测量了磁场，并证实结果与迈斯纳效应的预期行为一致，即样品排斥磁场。这一结果强有力地支持了他们在同一氢化物样品中测得的接近零电阻结果。这些发现表明，铈超氢化物在91K的临界温度和137GPa的压力下表现出超导性，结束了长期争论，这种压力和温度条件通过液氮冷却就可以达到。 研究团队开发的NV色心测量方法有望扩展到对该系统更深入的研究及对其他材料的探索。更好地理解超氢化物的合成为什么导致样品小且不均匀可以让我们对该系统有更深入的了解，而宽场成像技术可以通过揭示合成过程中涉及的反应来为这一步做出贡献。这些信息反过来又有助于阐明超导相的细节。磁场测量还可以让研究者估计与超氢化物中迈斯纳效应相关的基础尺度，进一步确认铈超氢化物的行为是否与传统超导体理论一致。 有专家称，短期内，该研究使得超导性研究人员在经历了一段时间的撤稿和不确定性之后能够向前迈进。也有专家认为，该研究是将NV色心量子传感器应用到更高压强下超导迈斯纳效应的验证，与去年炒的火热的室温超导材料无关，技术上有一些进步，但结果没有太出乎意料。 论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-024-07026-7 报道链接： https://www.nature.com/articles/d41586-024-00423-y 原标题：《【Nature】“金刚钻”成超导特性试金石》 阅读原文