近日，吉林大學物理學院黃曉麗教授等人與美國加州大學伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實驗室、哈佛大學的Norman Yao教授團隊合作，在高壓下超導富氫化物的超導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，成功實現超高壓下富氫化合物的邁斯納效應實驗測量。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日發表在Nature上。在同期Nature上，香港科技大學的楊森教授等人以“Quantum sensor settles debate about superconductivity in hydrides”為題進行了亮點評述。

       自從單質Hg的超導電性被發現以來，超導電性，尤其是室溫超導體，一直是科學家們追逐的夢想。高壓下的富氫化合物被視為潛在的室溫超導體，因此成為相關領域研究的焦點。吉林大學黃曉麗教授團隊利用高溫高壓多種實驗技術途徑，發現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轉變溫度超過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體的真實性產生了質疑。因此，研究者們亟需獲得超導氫化物高溫超導電性的完整證據鏈，特別是驗證其超導邁斯納效應，以破除富氫化物超導體存在的爭議。
       傳統的測量方法，如感應線圈和超導量子干涉器件，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，發展新的磁探測手段和實現超高壓下的精確磁測量，不僅對超導氫化物研究，也對整個高壓研究領域來說都是亟待解決的問題。

       NV色心是金剛石內部的點缺陷，具有優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，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，實現邁斯納效應和磁通量捕獲的局部測量。這為在同一壓力下測量超導電性的零電阻和邁斯納效應提供了可能。

       2019年，來自美國、法國以及中國的研究團隊分別獨立在Science雜志上相繼發表論文，拉開了NV色心傳感技術應用到高壓研究領域的序幕。其中Norman Yao教授團隊(Science 2019，366, 1349–1354)測量了高壓下金剛石砧面的應力分布并表征了金屬鐵/釓隨壓力/溫度的磁性轉變。

       然而，如何將靈敏度和分辨率優異的NV色心測量技術應用到超高壓下富氫化合物超導體研究是一個新的挑戰。為了克服這一挑戰，黃曉麗教授團隊與Norman Yao教授團隊合作，選擇了能穩定至較低壓力、超導性能優異的鈰氫化合物作為研究對象。他們創新地提出在同一壓力下對同一樣品進行電學和磁學表征的實驗方案。

圖：匹配NV色心磁測量技術及電輸運測量的金剛石對頂砧裝置示意圖，實現了鈰氫化合物超導樣品在同一壓力條件下零電阻和邁斯納效應的協同測量。

       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，研究團隊通過場冷(FC)和零場冷(ZFC)的方式測量了高溫超導體CeH9樣品在不同位置的抗磁性，獲得了與電學測量一致的結果，有力地驗證了超導鈰氫化物的邁斯納效應。此外，還在該超導樣品中發現了因磁通釘扎而產生的磁滯現象。結果表明，超導轉變后磁場發生了不均勻的分布，符合超導體對磁場排斥的特征，證明了超導樣品所具有的邁斯納效應。基于NV色心的磁探測技術具有優異的空間分辨率，研究團隊按1微米的步長線性掃描了超導轉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超導樣品的空間分布。

       這項研究成功實現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測量開辟了廣闊的研究空間。

       該論文的共同第一作者是美國加州大學伯克利分校Pra Bhattacharyya博士、吉林大學物理學院超硬材料國家重點實驗室陳吳昊博士和黃曉麗教授，通訊作者是美國加州大學伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實驗室、哈佛大學Norman Yao教授。

       該工作得到了科技部國家重點研發計劃青年科學家及國家自然科學基金委等項目的大力支持。

文章全文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07026-7