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Norman Yao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(NV center)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 in hydride 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。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。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Norman Yao教授團隊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Norman Yao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。
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(dá)到35μT/√Hz,空間分辨率達(dá)到亞微米級。連續(xù)模式下,熒光對比度達(dá)到15%;脈沖模式下,自旋相干時間達(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)?;贜V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
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