針對鑭鎳氧（La3Ni2O7?）材料在約80 K高壓下觀測到零電阻特性但邁斯納效應(yīng)存疑的難題，研究團隊創(chuàng)新地集成金剛石NV色心量子傳感與高壓對頂砧技術(shù)，實現(xiàn)了對單晶樣品局部抗磁性的原位高靈敏度檢測，空間分辨率達微米級。通過將該磁測量技術(shù)與四探針電輸運手段結(jié)合，團隊在同一塊樣品中同步捕捉到零電阻和明確的邁斯納效應(yīng)信號，為La3Ni2O7?的高溫超導(dǎo)屬性提供了雙重實驗證據(jù)，有力解決了該領(lǐng)域的長期爭議。

近期，來自中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所、吉林大學(xué)、中山大學(xué)團隊利用金剛石氮-空位（Nitrogen vacancy, NV）色心以及電輸運手段在高壓下的鑭鎳氧（La3Ni2O7?）單晶材料中同步觀測到超導(dǎo)零電阻和邁斯納效應(yīng)，證實了鑭鎳氧材料的超導(dǎo)抗磁性，為這類高溫超導(dǎo)材料的研究提供了堅實的實驗證據(jù)。相關(guān)結(jié)果以“Evidence for the Meissner effect in the nickelate superconductor La3Ni2O7?single crystal using diamond quantum sensors”為題發(fā)表在Physical Review Letters( Phys. Rev. Lett., 135, 096001 )上。

2023年，科學(xué)家們在極端高壓下，發(fā)現(xiàn)鑭鎳氧材料竟然能在約80 K的“高溫”下實現(xiàn)零電阻！這是繼銅基和鐵基高溫超導(dǎo)后的新發(fā)現(xiàn)的鎳基體系，這一發(fā)現(xiàn)迅速點燃了學(xué)界對該種新型高溫超導(dǎo)體的研究熱情。然而要真正認(rèn)定超導(dǎo)，僅靠“零電阻”還不夠，還必須捕捉到另一種關(guān)鍵證據(jù)——“邁斯納效應(yīng)”，即材料對外部磁場的排斥現(xiàn)象（抗磁性）。受限于高壓環(huán)境的苛刻條件以及傳統(tǒng)磁測量技術(shù)的不足，當(dāng)時未能確認(rèn)鑭鎳氧是否具備這一超導(dǎo)的“身份證明”，爭議持續(xù)不斷。

為了破解這一難題，多個科研團隊強強聯(lián)合，引入金剛石NV色心量子傳感技術(shù)，就像為高壓腔中植入了一雙可精準(zhǔn)感知磁場的“量子眼睛”。他們成功對鑭鎳氧單晶材料進行了原位、高靈敏度的抗磁性檢測。此外，團隊還將該技術(shù)與電學(xué)測量結(jié)合，在同一塊微小晶體中，同時觀測到了“零電阻”與“邁斯納效應(yīng)”！這項雙重驗證，如同為鑭鎳氧的超導(dǎo)身份發(fā)放了無可爭議的“雙重認(rèn)證”，也為未來高壓超導(dǎo)研究提供了強大的實驗范式。

圖1. La3Ni2O7?單晶邁斯納效應(yīng)的測量。

研究團隊通過系統(tǒng)的壓力調(diào)控實驗，成功揭示了La3Ni2O7?單晶超導(dǎo)特性隨壓力的變化規(guī)律。本研究采用了基于自旋量子傳感原理的金剛石NV色心技術(shù)--該技術(shù)以其極高的靈敏度和微米級的空間分辨率，成為磁測量領(lǐng)域的一項重要工具。即使在高壓環(huán)境與材料不均勻性共存的極端實驗條件下，NV色心量子傳感技術(shù)依然表現(xiàn)出卓越的探測性能。憑借這一優(yōu)勢，團隊成功實現(xiàn)了對金剛石壓砧中高壓非均勻超導(dǎo)樣品的局部抗磁性檢測，并達到微米級的高分辨精度。該工作不僅堅實證實了La3Ni2O7?的高溫超導(dǎo)特性，也突顯了固態(tài)色心量子傳感技術(shù)在極端條件下進行高精度磁性測量的不可替代性，為未來超導(dǎo)材料和量子傳感的應(yīng)用提供了新的技術(shù)路徑。

圖2. La3Ni2O7?單晶的電阻曲線。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/yvj7-htb4