Nature：“金刚钻”成超导特性试金石

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。

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。

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。