美国和中国的物理学家发明了一种技术，可以对高压下材料的磁性进行可靠测量。他们的方法可以帮助研究人员发现高温高压下的超导体材料。
在过去的一两年里，高温超导经常成为头条新闻——但往往是出于错误的原因。几种材料在接近甚至高于室温下超导的说法 有争议，有的已被撤回.
问题的一部分在于这些材料是在金刚石砧室 (DAC) 中在非常高的压力下进行研究的。 DAC 在两个金刚石齿之间压缩微小样本，这使得观察超导的特征变得非常困难。事实上，了解此类样品的详细原子结构甚至很棘手。
通常，超导性的主张必须得到两个证据的支持。一是当超导转变发生时，材料的电阻率突然降至零。另一种是迈斯纳效应，即当材料进入超导状态时，磁场会从材料中排出。
高压挑战
说在 DAC 中同时在高压下看到这些是具有挑战性的 诺曼·姚 哈佛大学的。 “如何将探针插入这个高压室？你只是无权访问。”可以通过安装细导线来测量样品的电阻率。但为了测量磁效应，研究人员通常用螺线管感应线圈包围整个 DAC，这只能给出整个样本的平均值。
对于铈和镧超氢化物等材料来说，这个问题尤其严重，它们一直是室温超导体令人兴奋的焦点。它们通常是使用激光在富氢化合物存在的情况下加热金属薄片而制成的。但很难知道在高压下，所需的氢化物相在哪里形成，在哪里没有形成。姚解释说，这就是为什么实验经常失败的原因，因为没有连续的超导区域将一根导线连接到另一根导线上。
如果样品高度不均匀，也会使感应线圈收集的平均磁行为数据的解释变得复杂。这尤其棘手，因为与背景场相比，这些信号通常很小。因此，高压超导性的说法常常引起争议。
三年前，Yao 的团队和其他人证明可以使用 DAC 钻石本身以高分辨率测量局部磁场。这是通过使用完成的 氮空位 (NV) 晶格缺陷 钻石之内。在这些缺陷中，两个相邻的碳原子被氮原子和空晶格位置取代。
分裂自旋态
每个 NV 都有一个与磁场相互作用的量子自旋。使用一种称为光学检测磁共振的技术来观察这种相互作用。当激光照射到 NV 上时，会发出荧光。如果特定谐振频率的微波信号也施加到 NV，它会将自旋置于特定状态，从而减少发射的荧光量。如果也存在磁场，则该自旋态的能级会分裂。这意味着荧光的减少发生在两个不同的微波频率下，并且这些频率之间的间隔与磁场强度成正比。
原则上，该技术可用于使用金刚石齿尖附近植入的 NV 中心对 DAC 样本执行空间分辨磁力测量。荧光是通过将激光照射到钻石的后端而产生的。
“NV 技术的固有优势是其在测量超导相对所施加磁场的扰动方面具有高空间分辨率，而不是对整个样品进行测量的平均效应”，高压专家说道 米哈伊尔·埃雷梅茨 德国美因茨马克斯·普朗克化学研究所的教授。 “这允许使用更小的样品，并有可能达到更高的压力，”埃雷梅茨补充道，他一直致力于加压超氢化镧的高温超导性研究。
变形缺陷
然而，这种磁力测量技术存在一个问题，因为高压会使 NV 缺陷变形，从而逐渐消除磁力测量信号。此前，人们发现这种 NV 位点的荧光在 50-90 GPa 的压力下消失，这个压力太低，无法形成超氢化物的超导相。
金刚石传感器在高压下探测物质
现在，姚和同事已经找到了解决这个压力问题的方法，该方法原理简单，但对工程设计具有挑战性。如果沿一个特定的晶体方向切割金刚石齿的上表面，则 NV 位点沿该方向排列。这种对称性的结果是压力不会影响荧光。这使得该团队能够在 90 K 左右的温度和 140 GPa 的压力下检测超氢化铈样品特定区域（小至几微米）的超导性。
研究人员表示，利用这种晶体取向可以帮助解决过去的争议并避免未来的一些争议。它还可以帮助研究人员确定哪种样品合成条件最有效。姚说，以前很难确定样本的确切性质。但现在，如果目标材料具有像迈斯纳效应这样的磁响应，那么应该可以准确地发现它在样品中的位置，从而推断出不同合成策略的有效性。
“该技术的这种成像能力对于 原位 这些高温超导体中存在的不均匀性的表征，包括那些在环境压力附近稳定的超导体”，材料科学家说 罗素赫姆利 伊利诺伊大学芝加哥分校的教授，他没有参与这项工作。
该研究描述于 自然.
