[论文解读] Widefield NV Magnetic Field Reconstruction for Probing the Meissner Effect and Critical Current Density under Pressure

Kin On Ho, Cassandra Dailledouze+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2026

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 0

一句话总结

该论文展示了一种宽场 NV 金刚石磁测法来重建 Hg-1223 超导体在 4 GPa 下周围的磁场矢量，从而实现定量迈斯纳效应映射并通过 Brandt 模型提取温度相关的临界电流密度。

ABSTRACT

The spatial distribution of a magnetic field can be determined with micrometer resolution using widefield nitrogen vacancy (NV) center magnetic imaging. Nevertheless, reconstructing the magnetic field from the raw data can be challenging due to the degeneracy of the four possible NV axes and the tremendous amount of data. While a qualitative approach is sufficient for most analyses, a quantitative analysis offers deeper insight into the physical system. Here, we apply NV widefield magnetic imaging to a HgBa$_{2}$Ca$_{2}$Cu$_{3}$O$_{8+δ}$ (Hg-1223) superconducting microcrystal at a pressure of 4 GPa. We fit the results with solutions from the Hamiltonian describing the NV center ground state and take into account the relative intensities of the resonances to determine the local magnetic field magnitude and angle. Thus, we reconstruct the temperature-dependent expulsion of the magnetic field due to the Meissner effect around the superconductor. By comparing the resulting parameters to Brandt's model, which describes the magnetic behavior of a type-II superconductor, we extract the critical current density $j_c$. Overall, this work showcases the first widefield quantitative reconstruction of the Meissner effect under pressure and an optical method to study critical current density. Thus, it provides new insights into the application of NV magnetometry to superconductivity research at high pressures.

研究动机与目标

• 在压力下使用宽场 NV 磁测法对超导体周围的迈斯纳排斥进行定量映射。
• 提出基于 phenomenological Hamiltonian 的模型以从 ODMR 谱重建局部磁场矢量。
• 提取温度相关的磁场纹理并与 Brandt 的模型比较以确定 j_c。
• 评估压力效应并提供用于研究高压下超导性的光学方法。

提出的方法

• 将磁场用球坐标表示为每个 NV 取向的幅值、极角和方位角。
• 使用基态哈密顿量对 ODMR 谱进行拟合，参数包括场强、线型和应力环境。
• 包含八个拟合参数，包括 B-field 的幅值和角度、ODMR 洛伦兹参数，以及与压力相关的因子。
• 假设排出的静磁场与微波场在仿真 ODMR 时对齐。
• 使用在空间和温度上具有连续性的约束全局拟合以获得自洽的场映射。
• 将重建的 B(x) 剖面应用 Brandt 的半无限板模型以推断临界电流密度 j_c。

实验结果

研究问题

• RQ1 迈斯纳效应在高压下 Hg-1223 周围的空间磁场纹理如何体现？
• RQ2 宽场 NV 磁测能否在压力下的超导转变中提供磁场矢量的定量重建？
• RQ3 局部磁场分布的温度依赖性及其与 Brandt 模型下的临界电流密度 j_c 的关系是什么？
• RQ4 压力如何影响局部磁环境和 Hg-1223 微晶的迈斯纳屏蔽？
• RQ5 在没有电极输运测量的情况下，NV 基成像能否确定压力下的下/上临界参数？

主要发现

• 迈斯纳效应在超导体周围引起更强的磁场排斥，且中心区域的磁场强度在 T < T_c 时较低。
• 重建的磁场矢量显示出弯曲和角度的变化，与迈斯纳屏蔽在趋近 T_c（约 138 K）时一致。
• 将 Brandt 模型应用于重建的 B(x) 剖面，在 4 GPa 下 120 K 时得到温度相关的 j_c 约为 1.5×10^4 A·cm^-2。
• (j_c) 在 T_c 以下随温度降低而增加，β 在低 j_c 情况下呈指数敏感性。
• 测得的 j_c 值与文献在常压下 Hg-1223 的范围相符，支持该方法在高压下的有效性。
• 材料-金刚石接触引起的局部压力变化被观测到，需在高压 NV 测量中予以考虑。