哈佛大学的巧妙办法能够在封闭与高压下测量物质超导状态

时间: 2024-08-22 02:30:33 |   作者: 家居及玩具

  氢（就像我们中的许多人一样）在压力下的行为很奇怪。理论预测，当氢气被超过大气压一百万倍的重量压碎时，这种轻质、丰富、通常为气态的元素首先会变成金属，更奇怪的是，还会变成超导体--一种无电阻导电的材料。

  金刚石砧单元中氮空位中心的艺术效果图，该单元可探测高压超导体对磁场的释放。资料来源：Ella Marushchenko

  科学家们一直渴望了解并最终利用被称为氢化物的超导富氢化合物进行实际应用--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、持续压力下的行为并不实际，精确测量这些行为介于噩梦和不可能之间。

  哈佛大学的科学家在高压物理学领域取得了重大进展，他们创造了一种工具，可以直接对极端条件下的超导材料进行成像，促进了超导氢化物领域的新发现。

  哈佛大学的研究人员认为，对于如何测量和成像氢化物超导体在高压下的行为这一棘手问题，他们已找到了一种基础工具，就像计算器对算术的作用和 ChatGPT 对写作五段式文章的作用一样。他们在《自然》（Nature）杂志上发表报告称，研究人员已经创造性地将量子传感器集成到一个标准的压力诱导装置中，从而能够直接读取加压材料的电学和磁学特性。

  这项创新来自于物理学教授姚诺曼（Norman Yao）（09-14 博士）与波士顿大学教授、前哈佛博士后克里斯托弗-劳曼（Christopher Laumann）（03-）的长期合作。

  研究极压下氢化物的标准方法是使用一种名为金刚石砧室的仪器，它将少量材料挤压在两个明亮切割的金刚石界面之间。为经验测试样品是否被挤压到足以实现超导，物理学家通常会寻找双重特征：电阻降到零，以及附近磁场的排斥力，即迈斯纳效应（这就是为什么用液氮冷却陶瓷超导体时，它会在磁铁上盘旋的原因）。

  问题在于如何捕捉这一些细节。为了施加必要的压力，必须用一个垫圈将样品固定住，使挤压均匀分布，然后将样品封闭在一个腔体内。这样就特别难看到里面发生了什么，因此物理学家不得不采用变通方法，用多个样品分别测量不同的效应。

  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，Yao 说。问题就在于不能把传感器或探针插在里面，因为所有东西都是封闭的，而且处于非常高的压力下。这使得从舱内获取局部信息变得极为困难。因此，没有人真正观测到过单个样品中超导的双重特征。

  为了解决这一个问题，研究人员设计并测试了一种巧妙的改装方法：他们在金刚石砧座表面直接集成了一层薄薄的传感器，由金刚石原子晶格中自然产生的缺陷构成。他们利用这些被称为氮空位中心的有效量子传感器，在样品加压并进入超导领域时，对腔室内的区域进行成像。为了证明他们的概念，他们使用了氢化铈，这样一种材料在大约一百万个大气压的压力下会成为超导体，物理学家称之为兆巴级。

  这一新工具不仅有助于发现新的超导氢化物，还能更容易地获得现有材料的这些让研究人员梦寐以求的特性，以便接着来进行研究。

  Laumann说：能想象，因为现在是在一个[氮空位]金刚石砧槽中制造东西，能马上看到这一个区域现在是超导的，这个区域不是，然后可以优化合成，并想出一种方法来制造更好的样品。