[論文レビュー] Imaging the Meissner effect and flux trapping in a hydride superconductor at megabar pressures using a nanoscale quantum sensor

Prabudhya Bhattacharyya, Wuhao Chen+25 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2023

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 54被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ダイヤモンドアンビルセルにイオン implanted された窒素・ボイド（NV）色中心を用いて、140 GPa に達するメガバール圧力下でセリウム水素化物超伝導体（CeH₉）におけるサブミクロン空間分解能磁気測定を実現した。この手法により、マイスナー効果およびフラックストラッピングを直接画像化し、超伝導領域におけるミクロンスケールの不均一性を明らかにした。これにより、極限的条件下での局所的かつ同時的な電気的・磁気的特性評価が可能となった。

ABSTRACT

By directly altering microscopic interactions, pressure provides a powerful tuning knob for the exploration of condensed phases and geophysical phenomena. The megabar regime represents an exciting frontier, where recent discoveries include novel high-temperature superconductors, as well as structural and valence phase transitions. However, at such high pressures, many conventional measurement techniques fail. Here, we demonstrate the ability to perform local magnetometry inside of a diamond anvil cell with sub-micron spatial resolution at megabar pressures. Our approach utilizes a shallow layer of Nitrogen-Vacancy (NV) color centers implanted directly within the anvil; crucially, we choose a crystal cut compatible with the intrinsic symmetries of the NV center to enable functionality at megabar pressures. We apply our technique to characterize a recently discovered hydride superconductor, CeH$_9$. By performing simultaneous magnetometry and electrical transport measurements, we observe the dual signatures of superconductivity: local diamagnetism characteristic of the Meissner effect and a sharp drop of the resistance to near zero. By locally mapping the Meissner effect and flux trapping, we directly image the geometry of superconducting regions, revealing significant inhomogeneities at the micron scale. Our work brings quantum sensing to the megabar frontier and enables the closed loop optimization of superhydride materials synthesis.

研究の動機と目的

• 高圧環境下における従来の磁気測定法の限界、特に小規模で不均一な超水素化物試料に対しての課題を克服すること。
• 100 GPa を超える圧力下でサブミクロン分解能磁気測定が可能な量子センシングプラットフォームの開発。
• 局所的磁気応答、特にマイスナー効果およびフラックストラッピングを介して、超伝導領域の空間的分布を直接画像化すること。
• 局所的磁気的シグナルと電気的輸送測定を相関させ、極限的圧力下におけるCeH₉の超伝導性を検証すること。
• ミクロンスケールでの不均一性およびフラックスダイナミクスのマッピングを通じて、超水素化物合成の閉ループ最適化を可能にすること。

提案手法

• メガバール条件に耐える高圧量子センシングを可能にするために、[111]面を切り取ったダイヤモンドアンビルに浅い深さの窒素・ボイド（NV）色中心をイオンドーピングすること。
• 光学的に検出可能な磁気共鳴（ODMR）を用いて、ダイヤモンドアンビルセル（DAC）内でサブミクロン空間分解能で局所的磁場を測定すること。
• 同時に直流（DC）および交流（AC）磁気測定と四端子電気的輸送測定を実施し、磁気的転移と抵抗率転移を相関させること。
• ゼロ場冷却および磁場冷却プロトコルを適用し、温度および磁場履歴に応じたマイスナー効果およびフラックストラッピング挙動を調査すること。
• 磁場抑制およびフラックストラッピングの空間的変動をマッピングし、超伝導領域の形状およびサイズを特定すること。
• 温度サイクリングを伴う磁場スイーププロトコルを用い、磁化のヒステリシスを観察し、フラックストラッピング強度を定量すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NV中心を用いた量子センサーは、メガバール圧力下のダイヤモンドアンビルセルでサブミクロン空間分解能磁気測定を達成できるか？
• RQ2 高圧下におけるCeH₉の局所的磁気応答、特にマイスナー効果およびフラックストラッピングは、電気的抵抗とどのように相関するか？
• RQ3 CeH₉における超伝導領域の空間的分布および幾何学的形状は何か？また、ミクロンスケールでどのように変動するか？
• RQ4 高圧下におけるCeH₉のフラックストラッピングの強度およびヒステリシスは、温度および冷却履歴にどのように依存するか？
• RQ5 局所的磁気イメージングは、グローバル測定では見えにくくなる超水素化物材料の不均一性を解明できるか？

主な発見

• NVセンサープラットフォームは、約140 GPaの圧力まで直流および交流磁気測定を実施し、メガバール領域での機能を示した。
• 磁場冷却下でTc ≈ 90 K未満で約20 Gの局所的磁場抑制が観測され、サブミクロン分解能でマイスナー効果が確認された。
• 空間マッピングにより、超伝導領域に顕著なミクロンスケールの不均一性が明らかとなり、異なる試料領域で明確なフラックストラッピングシグナルが観察された。
• 磁場冷却後にH_z = 0 Gで約20 Gの残留磁場が観測され、CeH₉に持続的電流が存在することが示唆された。
• 磁場スイープにおいて磁化応答にヒステリシスが観察され、大きな磁場振幅ではB_z = H_zのスケーリングが成立し、H_z = 0 Gで±23 Gのフラックストラッピングが確認された。
• H_z = 206 Gのとき、低磁場に比べて磁気転移が鋭くなったことから、超伝導応答が温度および磁場に依存することが示唆された。