氫（就像我們中的許多人一樣）在壓力下的行為很奇怪。理論預測，當氫氣被超過大氣壓力一百萬倍的重量壓碎時，這種輕質、豐富、通常為氣態的元素首先會變成金屬，更奇怪的是，還會變成超導體–一種無電阻導電的材料。

鑽石砧單元中氮空位中心的藝術效果圖，此單元可探測高壓超導體對磁場的釋放。資料來源：Ella Marushchenko

科學家一直渴望了解並最終利用被稱為氫化物的超導富氫化合物進行實際應用–從懸浮列車到粒子探測器。但是，研究這些材料和其他材料在巨大、持續壓力下的行為並不實際，精確測量這些行為介於噩夢和不可能之間。

哈佛大學的科學家在高壓物理學領域取得了重大進展，他們創造了一種工具，可以直接對極端條件下的超導材料進行成像，促進了超導氫化物領域的新發現。

高壓測量的突破性進展

哈佛大學的研究人員認為，對於如何測量和成像氫化物超導體在高壓下的行為這一棘手問題，他們已經找到了一種基礎工具，就像計算器對算術的作用和ChatGPT 對寫作五段式文章的作用一樣。他們在《自然》（Nature）雜誌上發表報告稱，研究人員已經創造性地將量子感測器整合到一個標準的壓力誘導裝置中，能夠直接讀取加壓材料的電學和磁學特性。

這項創新來自於物理學教授姚諾曼（Norman Yao）（09-14 博士）與波士頓大學教授、前哈佛博士後克里斯托弗-勞曼（Christopher Laumann）（03-）的長期合作。

高壓物理學的革命

研究極壓下氫化物的標準方法是使用一種名為鑽石砧室的儀器，它將少量材料擠壓在兩個明亮切割的鑽石界面之間。為了檢測樣品是否被擠壓到足以實現超導，物理學家通常會尋找雙重特徵：電阻降到零，以及附近磁場的排斥力，即邁斯納效應（這就是為什麼用液態氮冷卻陶瓷超導體時，它會在磁鐵上盤旋的原因）。

問題在於如何捕捉這些細節。為了施加必要的壓力，必須用一個墊圈將樣本固定住，使擠壓均勻分佈，然後將樣本封閉在一個腔體內。這樣就很難”看到”裡面發生了什麼，因此物理學家不得不採用變通方法，用多個樣品分別測量不同的效應。

“超導氫化物領域一直存在一些爭議，部分原因是高壓下的測量技術非常有限，”Yao 說。”問題在於不能把感測器或探針插在裡面，因為所有東西都是封閉的，而且處於非常高的壓力下。這使得從艙內獲取局部資訊變得極為困難。因此，沒有人真正觀測到過單一樣品中超導的雙重特性。”

為了解決這個問題，研究人員設計並測試了一個巧妙的改裝方法：他們在鑽石砧座表面直接整合了一層薄薄的感測器，由鑽石原子晶格中自然產生的缺陷所構成。他們利用這些被稱為氮空位中心的有效量子感測器，在樣品加壓並進入超導領域時，對腔室內的區域進行成像。為了證明他們的概念，他們使用了氫化鈰，這種材料在大約一百萬個大氣壓的壓力下會成為超導體，物理學家稱之為兆巴級。

這項新工具不僅有助於發現新的超導氫化物，還能更容易獲得現有材料的這些讓研究人員夢寐以求的特性，以便繼續進行研究。

Laumann說：”可以想像，因為現在是在一個[氮空位]鑽石砧槽中製造東西，可以立即看到’這個區域現在是超導的，這個區域不是’，然後可以優化合成，並想出一種方法來製造更好的樣品。”

編譯來源：ScitechDaily