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高壓下雙層鎳氧化物邁斯納效應的量子成像 2023年，中國科學家首次在雙層鎳氧化物La3Ni2O7單晶中發(fā)現(xiàn)了超導轉變起始溫度Tc接近80K的高溫超導特征，引起了全球科研團隊的廣泛關注。通過國內(nèi)外多個科研團隊的連續(xù)攻關，鎳氧化物超導在樣品質量、結構分析、零電阻判據(jù)等方面取得了豐富的進展。然而，光學浮區(qū)法生長的La3Ni2O7單晶高氧壓范圍很窄，容易出現(xiàn)雜相、氧空位及化學組分不均等問題，這使得La3Ni2O7在高壓下的超導體積分數(shù)具有較強的樣品依賴性且對壓力環(huán)境異常敏感。同時，現(xiàn)有的高壓下磁測量技術往往只能得到樣品整體在零場下的抗磁性信號，無法獲得樣品內(nèi)超導相的微觀分布。以上原因造成了La3Ni2O7至今仍缺乏邁斯納效應存在的直接實驗證據(jù)，嚴重阻礙了鎳基高溫超導體的研究和發(fā)展。 為實現(xiàn)高壓極端條件下微小樣品的高空間分辨原位靈敏測量，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心懷柔研究部的于曉輝研究員與劉剛欽研究員組成的聯(lián)合團隊緊密合作，將金剛石對頂砧與金剛石氮空位(nitrogen-vacancy,NV)中心量子傳感技術巧妙融合，實現(xiàn)了高壓下的NV中心自旋量子態(tài)相干操控和量子傳感原理驗證，實驗觀測到微米尺度永磁體Nd2Fe14B樣品的壓力誘導磁相變[Chinese Phys. Lett. 36,086201 (2019)]；隨后，聯(lián)合團隊將金剛石量子傳感的工作壓強提升至143GPa [Chinese Phys. Lett. 39,117601 (2022)]。 近期，研究團隊利用該系統(tǒng)對物理所極端條件實驗室程金光研究員團隊制備的雙層鎳氧化物La2PrNi2O7和La3Ni2O7-δ多晶樣品進行了高壓下的磁測量，首次在零場冷-場熱和場冷過程中觀測到了清晰的局部抗磁和磁通增強現(xiàn)象，直接證實了高壓下雙層鎳氧化物的邁斯納效應，并發(fā)現(xiàn)Pr摻雜樣品的邁斯納效應顯著增強。同時，借助金剛石NV中心量子傳感高空間分辨率和多物理量敏感特性，研究團隊完善了高壓腔內(nèi)不同樣品位置磁場和壓強的同時測量和解耦方法，實現(xiàn)了高壓極端條件下的微弱磁信號提取，直接給出了La3Ni2O7高壓下超導區(qū)域分布不均勻的實驗證據(jù)。在此基礎上，研究團隊將該技術與高壓拉曼光譜技術結合進行了協(xié)同測量，獲得了鎳氧化物在高壓下的超導區(qū)域和非超導區(qū)域的結構信息，為鎳氧化物的高壓超導理論提供了重要的實驗依據(jù)。  圖 (a) 實驗裝置示意圖. (b) 高壓下鎳氧化物樣品的抗磁區(qū)域分布. (c) La2PrNi2O7和La3Ni2O7在不同傳壓介質下的抗磁信號對比. 相關成果在2024年10月公布，并在近期以“Imaging the Meissner effect in pressurized bilayer nickelate with intergrated multi-parameter quantum sensor”為題發(fā)表在National Science Review，中國科學院物理所博士生文俊彥、徐躍、王罡（已畢業(yè)）為論文共同一作，劉剛欽、程金光、于曉輝研究員為該論文的共同通訊作者。此外，曲阜師范大學劉曉兵教授，合肥工業(yè)大學范經(jīng)緯副研究員，中國科學院物理所劉淼研究員、潘新宇研究員、金峰副研究員、陳劉城副主任工程師和馬肖莉副主任工程師也參與了該工作。該工作受到科技部重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、科技創(chuàng)新2030項目、中國科學院先導B等項目基金和綜合極端條件實驗裝置(SECUF)的支持。 相關鏈接：(https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf268 |
