[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究利用植入金刚石对顶砧中的氮-vacancy (NV) 色心，在高达约140 GPa的兆巴压力下，实现了在铈氢化物超导体（CeH₉）中亚微米空间分辨率的磁测量。该技术直接成像了迈斯纳效应和磁通钉扎，揭示了超导区域中的微米尺度非均匀性，并实现了在极端条件下对超导性的局部、同步电学与磁学表征。

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.

研究动机与目标

• 为克服传统磁测量在高压环境下对小尺寸、非均匀超氢化物样品的局限性。
• 开发一种能够在超过100 GPa压力下实现亚微米分辨率磁测量的量子传感平台。
• 通过局部磁响应（包括迈斯纳效应和磁通钉扎）直接成像超导区域的空间分布。
• 将局部磁信号与电输运测量相关联，以验证CeH₉在极端压力下的超导性。
• 通过在微米尺度上绘制空间非均匀性与磁通动力学，实现对超氢化物合成的闭环优化。

提出的方法

• 在[111]取向的金刚石对顶砧中植入浅层氮-vacancy (NV) 色心，以实现适用于兆巴条件的高压量子传感。
• 利用光学探测磁共振（ODMR）在金刚石对顶砧（DAC）中实现亚微米空间分辨率的局部磁场测量。
• 同步进行直流与交流磁测量以及四点电输运测量，以关联磁学与电阻转变行为。
• 采用零场冷却与场冷却协议，研究温度与磁场历史对迈斯纳效应和磁通钉扎行为的影响。
• 通过测量磁场抑制与磁通钉扎的空间变化，确定超导区域的几何形状与尺寸。
• 采用磁场扫描协议并结合温度循环，观测磁化率的磁滞现象，并量化磁通钉扎强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 NV中心基量子传感器是否能够在兆巴压力下的金刚石对顶砧中实现亚微米空间分辨率磁测量？
• RQ2 在高压下，局部磁响应（特别是迈斯纳效应与磁通钉扎）与CeH₉的电学电阻之间有何关联？
• RQ3 CeH₉中超导区域的空间分布与几何形态如何？其在微米尺度上如何变化？
• RQ4 在高压下，CeH₉中磁通钉扎的强度与磁滞特性如何随温度与冷却历史变化？
• RQ5 局部磁成像是否能够分辨出被全局测量所掩盖的超氢化物材料中的非均匀性？

主要发现

• NV传感器平台成功在高达约140 GPa的压力下实现了直流与交流磁测量，证明其在兆巴范围内的功能性。
• 在场冷却过程中，当温度低于Tc ≈ 90 K时，观察到约20 G的局部磁场抑制，以亚微米空间分辨率证实了迈斯纳效应。
• 空间测绘揭示了超导区域中显著的微米尺度非均匀性，不同样品区域表现出明显的磁通钉扎特征。
• 在场冷却至81 K后，H_z = 0 G时观察到约20 G的残余磁场，表明CeH₉中存在持久电流。
• 在磁场扫描过程中观测到磁化响应的磁滞现象，大磁场幅值下B_z = H_z呈线性关系，且在H_z = 0 G时磁通钉扎量为±23 G。
• 在H_z = 206 G时，磁性转变相较于低场条件更为尖锐，表明其超导响应具有温度与磁场依赖性。