用金刚石探测超导：高压下氢化物的迈斯纳效应

大家都知道，电流通过导体时会产生电阻，导致能量损耗。但是，有一些特殊的材料，在低温下会出现一种奇妙的现象，就是电阻突然变为零，电流可以无损耗地流动，这种现象就叫做超导。超导是一种宏观的量子效应，它涉及到电子的配对和凝聚，以及晶格的振动。超导材料在低温下，不仅具有零电阻，还具有完全抗磁性，也就是说它们会排斥外部的磁场，使得磁场无法穿透，这种现象就叫做迈斯纳效应。迈斯纳效应可以用来制造悬浮的磁铁，也可以用来屏蔽电磁干扰。

超导材料的挑战

超导现象是非常有用的，它可以用来制造高效的电力输送、强大的磁体、快速的计算机等等。但是，超导现象只在低温下出现，而低温的制造和维持是非常困难和昂贵的。因此，人们一直在寻找一种高温超导材料，这样的材料将会引发一场科技革命，改变人类的生活。

理论上，氢原子是最有可能形成高温超导的元素，因为它的质量很小，可以产生高频的晶格振动，从而增强电子的配对。但是，氢原子要变成金属的状态，需要非常高的压力，这在实验上是很难实现的。因此，人们转而研究一些富含氢的化合物，比如硫化氢、镧化氢等，这些化合物在相对较低的压力下，就可以显示出超导的性质。近年来，有一些实验报道了在高压下发现了氢化物的超导现象，比如硫化氢、镧化氢、铈化氢等。其中，铈化氢的超导临界温度达到了260开尔文，是目前已知的最高的。

要证明一个材料是超导体，通常需要两个方面的证据：一是电阻的消失，二是迈斯纳效应的出现。然而，在高压下进行这样的测量是非常困难的，因为需要在很小的空间内放置很多的电极和磁线圈，而且还要避免对样品造成损伤。因此，有些实验只能测量到电阻的消失，而不能测量到迈斯纳效应，这就引起了一些争议，有人怀疑这些实验是否真的观察到了超导，还是由于其他的原因导致了电阻的下降。

超导材料的新方法

最近，一篇发表在《自然》的论文，介绍了一种新的方法，来测量一种富含氢的化合物——铈超氢化物的超导性质。这种方法使用了一种量子传感器，这种量子传感器是用金刚石制成的。金刚石里面有一些氮空位中心，也就是缺少一个碳原子，而用一个氮原子代替的位置。

这些氮空位中心可以发出红色的荧光，而且对磁场非常敏感。通过调节磁场的强度和方向，可以改变荧光的强度和频率，从而实现对磁场的测量。这种量子传感器的优点是，它可以承受非常高的压力，而且可以实现亚微米的空间分辨率。因此，它可以用来测量超导材料的磁性，从而证实它们的超导性质。

论文的作者就是这样做的，他们把铈超氢化物放在一个金刚石压砧里，也就是一种用两个钻石对着的装置，可以产生高达几百万个大气压的压力。然后，他们用一个量子传感器，来测量铈超氢化物的磁场分布。他们发现，当温度降低到一定程度时，铈超氢化物就会表现出迈斯纳效应，也就是磁场被排斥出去，形成一个空白的区域，这就是超导的证据。

同时，他们还发现，样品内部有一些磁通量被困住了，这说明样品是一种类型二的超导体，即它可以容忍一定程度的磁场穿透。他们还发现，样品的超导区域并不均匀，有一些微米级的不均匀性，这可能是由于样品的结构或者化学组成的变化造成的。

这篇论文的意义

这篇论文的意义是非常重大的，因为它是第一次在高压下的氢化物超导体中观察到迈斯纳效应，从而消除了之前的争议，证实了这种材料的超导本质。这也是第一次使用量子传感器来测量高压下的超导性，展示了这种方法的优势和潜力。这篇论文为高温超导的研究开辟了新的视角和途径，也为超导的应用提供了新的希望。