PRL：利用金剛石量子傳感技術破譯鑭鎳氧單晶超導抗磁之謎

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存疑的難題，研究團隊創新地集成金剛石NV色心量子傳感與高壓對頂砧技術，實現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與四探針電輸運手段結合，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信號，為La3Ni2O7?的高溫超導屬性提供了雙重實驗證據，有力解決了該領域的長期爭議。

近期，來自中國科學院合肥物質院固體所、吉林大學、中山大學團隊利用金剛石氮-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零電阻和邁斯納效應，證實了鑭鎳氧材料的超導抗磁性，為這類高溫超導材料的研究提供了堅實的實驗證據。相關結果以“Evidence for the Meissner effect in the nickelate superconductor La3Ni2O7?single crystal using diamond quantum sensors”為題發表在Physical Review Letters( Phys. Rev. Lett., 135, 096001 )上。

2023年，科學家們在極端高壓下，發現鑭鎳氧材料竟然能在約80 K的“高溫”下實現零電阻！這是繼銅基和鐵基高溫超導后的新發現的鎳基體系，這一發現迅速點燃了學界對該種新型高溫超導體的研究熱情。然而要真正認定超導，僅靠“零電阻”還不夠，還必須捕捉到另一種關鍵證據——“邁斯納效應”，即材料對外部磁場的排斥現象（抗磁性）。受限于高壓環境的苛刻條件以及傳統磁測量技術的不足，當時未能確認鑭鎳氧是否具備這一超導的“身份證明”，爭議持續不斷。

為了破解這一難題，多個科研團隊強強聯合，引入金剛石NV色心量子傳感技術，就像為高壓腔中植入了一雙可精準感知磁場的“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，團隊還將該技術與電學測量結合，在同一塊微小晶體中，同時觀測到了“零電阻”與“邁斯納效應”！這項雙重驗證，如同為鑭鎳氧的超導身份發放了無可爭議的“雙重認證”，也為未來高壓超導研究提供了強大的實驗范式。

圖1. La3Ni2O7?單晶邁斯納效應的測量。

研究團隊通過系統的壓力調控實驗，成功揭示了La3Ni2O7?單晶超導特性隨壓力的變化規律。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--該技術以其極高的靈敏度和微米級的空間分辨率，成為磁測量領域的一項重要工具。即使在高壓環境與材料不均勻性共存的極端實驗條件下，NV色心量子傳感技術依然表現出卓越的探測性能。憑借這一優勢，團隊成功實現了對金剛石壓砧中高壓非均勻超導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?的高溫超導特性，也突顯了固態色心量子傳感技術在極端條件下進行高精度磁性測量的不可替代性，為未來超導材料和量子傳感的應用提供了新的技術路徑。

圖2. La3Ni2O7?單晶的電阻曲線。

論文鏈接：

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