超导的量子飞跃:哈佛大学的高压突破

诸平

An artist’s rendering of nitrogen vacancy centers in a diamond anvil cell, which can detect the expulsion of magnetic fields by a high-pressure superconductor. Credit: Ella Marushchenko

据美国哈佛大学（Harvard University）2024年3月3日提供的消息，哈佛大学的科学家与中美科学家合作创造了一种工具，可以在极端条件下直接成像超导材料，在高压物理学方面取得了重大进展，促进了超导氢化物领域的新发现。现将“超导的量子飞跃:哈佛大学的高压突破”（Quantum Leap in Superconductivity: Harvard’s High-Pressure Breakthrough）编译如下，仅供参考。

氢气(像我们中的许多人一样)在压力下会表现得很奇怪。理论预测，当被超过大气100万倍的重量压碎时，这种轻、丰富、通常是气态的元素首先会变成金属，更奇怪的是，会变成超导体——一种没有电阻导电的材料。

科学家们一直渴望了解并最终利用被称为氢化物（hydrides）的超导富氢化合物（hydrogen-rich compounds），用于实际应用——从悬浮列车到粒子探测器。但是，研究这些材料和其他材料在巨大的持续压力下的行为是不现实的，准确测量这些行为是一场噩梦，甚至是不可能的。

高压测量技术的突破（A Breakthrough in High-Pressure Measurement）

就像计算器用于算术，ChatGPT用于写五段论文一样，哈佛大学的研究人员认为他们有一个基本的工具来解决如何测量和描绘高压下氢化物超导体的行为这一棘手问题。他们的研究结果于2024年2月28日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——P. Bhattacharyya, W. Chen, X. Huang, S. Chatterjee, B. Huang, B. Kobrin, Y. Lyu, T. J. Smart, M. Block, E. Wang, Z. Wang, W. Wu, S. Hsieh, H. Ma, S. Mandyam, B. Chen, E. Davis, Z. M. Geballe, C. Zu, V. Struzhkin, R. Jeanloz, J. E. Moore, T. Cui, G. Galli, B. I. Halperin, C. R. Laumann and N. Y. Yao. Imaging the Meissner effect in hydride superconductors using quantum sensors. Nature, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07026-7. Published: 28 February 2024. https://www.nature.com/articles/s41586-024-07026-7

参与此项研究的有来自美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley, CA, USA）、美国劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA）、美国卡耐基·梅隆大学（Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA, USA）、美国芝加哥大学（University of Chicago, Chicago, IL, USA）、美国哈佛大学（Harvard University, Cambridge, MA, USA）、美国华盛顿卡内基研究所（Carnegie Institution of Washington, Washington, DC, USA）、美国华盛顿大学圣路易斯分校（Washington University in St. Louis, St. Louis, MO, USA）、美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory, Lemont, IL, USA）、美国波士顿大学（Boston University, Boston, MA, USA）；中国吉林大学（Jilin University, Changchun, China）、中国高压科学技术先进研究中心（Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research, Shanghai, China）以及中国宁波大学（Ningbo University, Ningbo, China）的研究人员。

此文称，他们创造性地将量子传感器集成到一个标准的压力感应设备中，从而可以直接读出受压材料的电和磁特性。

这项创新来自于物理学教授诺曼·姚（Norman Yao）和波士顿大学教授、前哈佛大学博士后克里斯多夫·劳曼（Christopher Laumann）之间的长期合作，他们几年前一起从他们的理论背景突破到高压测量的实际考虑。

高压物理革命（Revolutionizing High-Pressure Physics）

研究极端压力下氢化物的标准方法是使用一种叫做金刚石压腔（diamond anvil cell）的仪器，它在两个明亮切割的金刚石界面之间挤压少量材料。为了检测样品何时被压碎到足以超导，物理学家通常会寻找双重特征:电阻降至零，以及附近任何磁场的排斥，即迈斯纳效应(Meissner Effect)。这就是为什么用液氮冷却的陶瓷超导体会悬浮在磁铁上。

问题在于如何捕捉这些细节。为了施加必要的压力，样品必须用衬垫固定在适当的位置，均匀分布压碎，然后封闭在一个腔室中。这使得很难看到内部发生了什么，所以物理学家不得不使用涉及多个样本的变通方法来分别测量不同的效果。

诺曼·姚说：“超导氢化物领域一直存在一些争议，部分原因是高压下的测量技术非常有限。问题是你不能在里面放一个传感器或探针，因为所有的东西都是封闭的，而且压力非常高。这使得从室内获取局部信息变得极其困难。因此，没有人真正在一个样品中观察到超导的双重特征。”

为了解决这个问题，研究人员设计并测试了一种巧妙的改进方法:他们将金刚石原子晶格中自然存在的缺陷制成的薄层传感器直接集成到金刚石砧（diamond anvil）的表面上。他们使用这些有效的量子传感器，称为氮空位中心（nitrogen vacancy centers），在样品受压并进入超导区域时对腔内区域进行成像。为了证明他们的概念，他们研究了氢化铈（cerium hydride），这种材料在大约100万个大气压下会变成超导体，物理学家称之为兆巴状态（megabar regime）。

这个新工具不仅可以帮助发现新的超导氢化物，而且可以更容易地获得现有材料中令人垂涎的特性，以便继续研究。

“你可以想象一下，因为你现在在[氮空位]金刚石压腔中制造一些东西，你可以立即看到‘这个区域现在是超导的，这个区域不是，’你可以优化你的合成并想出一种方法来制造更好的样品，”克里斯多夫·劳曼说。

这项工作是由美国能源部基础能源科学办公室资助的能源前沿研究中心——材料量子相干新途径中心（Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials, an Energy Frontier Research Center funded by the US Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences under award no. DE-AC02-05CH11231）的一部分。也得到了中国国家重点研究发展计划(National Key R&D Program of China grant no. 2022YFA1405500)、美国国家科学基金会（National Science Foundation grant no. PHY-1752727）、美国国防部国防科学与工程研究生奖学金计划（Department of Defense through the National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship Program）、美国国家科学基金会研究生研究奖学金（National Science Foundation Graduate Research Fellowship under grant no. DGE-1752814）、大卫和露西尔·帕卡德基金会（David and Lucile Packard Foundation）的资助或支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

By directly altering microscopic interactions, pressure provides a powerful tuning knob for the exploration of condensed phases and geophysical phenomena¹. The megabar regime represents an interesting frontier, in which recent discoveries include high-temperature superconductors, as well as structural and valence phase transitions^2,3,4,5,6. However, at such high pressures, many conventional measurement techniques fail. Here we demonstrate the ability to perform local magnetometry inside a diamond anvil cell with sub-micron spatial resolution at megabar pressures. Our approach uses a shallow layer of nitrogen-vacancy colour centres implanted directly within the anvil^7,8,9; crucially, we choose a crystal cut compatible with the intrinsic symmetries of the nitrogen-vacancy centre to enable functionality at megabar pressures. We apply our technique to characterize a recently discovered hydride superconductor, CeH₉ (ref.¹⁰). By performing simultaneous magnetometry and electrical transport measurements, we observe the dual signatures of superconductivity: diamagnetism characteristic of the Meissner effect and a sharp drop of the resistance to near zero. By locally mapping both the diamagnetic response and flux trapping, we directly image the geometry of superconducting regions, showing marked inhomogeneities at the micron scale. Our work brings quantum sensing to the megabar frontier and enables the closed-loop optimization of superhydride materials synthesis.