2023年，中國科學(xué)家首次在雙層鎳氧化物L(fēng)a3Ni2O7單晶中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變起始溫度Tc接近80K的高溫超導(dǎo)特征，引起了全球科研團(tuán)隊(duì)的廣泛關(guān)注。通過國內(nèi)外多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)的連續(xù)攻關(guān)，鎳氧化物超導(dǎo)在樣品質(zhì)量、結(jié)構(gòu)分析、零電阻判據(jù)等方面取得了豐富的進(jìn)展。然而，光學(xué)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(xué)組分不均等問題，這使得La3Ni2O7在高壓下的超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)具有較強(qiáng)的樣品依賴性且對(duì)壓力環(huán)境異常敏感。同時(shí)，現(xiàn)有的高壓下磁測(cè)量技術(shù)往往只能得到樣品整體在零場(chǎng)下的抗磁性信號(hào)，無法獲得樣品內(nèi)超導(dǎo)相的微觀分布。以上原因造成了La3Ni2O7至今仍缺乏邁斯納效應(yīng)存在的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，嚴(yán)重阻礙了鎳基高溫超導(dǎo)體的研究和發(fā)展。

為實(shí)現(xiàn)高壓極端條件下微小樣品的高空間分辨原位靈敏測(cè)量，中國科學(xué)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(tuán)隊(duì)緊密合作，將金剛石對(duì)頂砧與金剛石氮空位(nitrogen-vacancy,NV)中心量子傳感技術(shù)巧妙融合，實(shí)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(yàn)證，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到微米尺度永磁體Nd2Fe14B樣品的壓力誘導(dǎo)磁相變[Chinese Phys. Lett. 36,086201 (2019)]；隨后，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)將金剛石量子傳感的工作壓強(qiáng)提升至143GPa [Chinese Phys. Lett. 39,117601 (2022)]。

近期，研究團(tuán)隊(duì)利用該系統(tǒng)對(duì)物理所極端條件實(shí)驗(yàn)室程金光研究員團(tuán)隊(duì)制備的雙層鎳氧化物L(fēng)a2PrNi2O7和La3Ni2O7-δ多晶樣品進(jìn)行了高壓下的磁測(cè)量，首次在零場(chǎng)冷-場(chǎng)熱和場(chǎng)冷過程中觀測(cè)到了清晰的局部抗磁和磁通增強(qiáng)現(xiàn)象，直接證實(shí)了高壓下雙層鎳氧化物的邁斯納效應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)Pr摻雜樣品的邁斯納效應(yīng)顯著增強(qiáng)。同時(shí)，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(tuán)隊(duì)完善了高壓腔內(nèi)不同樣品位置磁場(chǎng)和壓強(qiáng)的同時(shí)測(cè)量和解耦方法，實(shí)現(xiàn)了高壓極端條件下的微弱磁信號(hào)提取，直接給出了La3Ni2O7高壓下超導(dǎo)區(qū)域分布不均勻的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)將該技術(shù)與高壓拉曼光譜技術(shù)結(jié)合進(jìn)行了協(xié)同測(cè)量，獲得了鎳氧化物在高壓下的超導(dǎo)區(qū)域和非超導(dǎo)區(qū)域的結(jié)構(gòu)信息，為鎳氧化物的高壓超導(dǎo)理論提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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圖 (a) 實(shí)驗(yàn)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(zhì)下的抗磁信號(hào)對(duì)比.

相關(guān)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(xué)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(xué)劉曉兵教授，合肥工業(yè)大學(xué)范經(jīng)緯副研究員，中國科學(xué)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、科技創(chuàng)新2030項(xiàng)目、中國科學(xué)院先導(dǎo)B等項(xiàng)目基金和綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置(SECUF)的支持。

相關(guān)鏈接：(https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf268