PRL：利用金刚石量子传感技术破译镧镍氧单晶超导抗磁之谜

针对镧镍氧（La3Ni2O7−）材料在约80 K高压下观测到零电阻特性但迈斯纳效应存疑的难题，研究团队创新地集成金刚石NV色心量子传感与高压对顶砧技术，实现了对单晶样品局部抗磁性的原位高灵敏度检测，空间分辨率达微米级。通过将该磁测量技术与四探针电输运手段结合，团队在同一块样品中同步捕捉到零电阻和明确的迈斯纳效应信号，为La3Ni2O7−的高温超导属性提供了双重实验证据，有力解决了该领域的长期争议。

近期，来自中国科学院合肥物质院固体所、吉林大学、中山大学团队利用金刚石氮-空位（Nitrogen vacancy, NV）色心以及电输运手段在高压下的镧镍氧（La3Ni2O7−）单晶材料中同步观测到超导零电阻和迈斯纳效应，证实了镧镍氧材料的超导抗磁性，为这类高温超导材料的研究提供了坚实的实验证据。相关结果以“Evidence for the Meissner effect in the nickelate superconductor La3Ni2O7−single crystal using diamond quantum sensors”为题发表在Physical Review Letters( Phys. Rev. Lett., 135, 096001 )上。

2023年，科学家们在极端高压下，发现镧镍氧材料竟然能在约80 K的“高温”下实现零电阻！这是继铜基和铁基高温超导后的新发现的镍基体系，这一发现迅速点燃了学界对该种新型高温超导体的研究热情。然而要真正认定超导，仅靠“零电阻”还不够，还必须捕捉到另一种关键证据——“迈斯纳效应”，即材料对外部磁场的排斥现象（抗磁性）。受限于高压环境的苛刻条件以及传统磁测量技术的不足，当时未能确认镧镍氧是否具备这一超导的“身份证明”，争议持续不断。

为了破解这一难题，多个科研团队强强联合，引入金刚石NV色心量子传感技术，就像为高压腔中植入了一双可精准感知磁场的“量子眼睛”。他们成功对镧镍氧单晶材料进行了原位、高灵敏度的抗磁性检测。此外，团队还将该技术与电学测量结合，在同一块微小晶体中，同时观测到了“零电阻”与“迈斯纳效应”！这项双重验证，如同为镧镍氧的超导身份发放了无可争议的“双重认证”，也为未来高压超导研究提供了强大的实验范式。

图1. La3Ni2O7−单晶迈斯纳效应的测量。

研究团队通过系统的压力调控实验，成功揭示了La3Ni2O7−单晶超导特性随压力的变化规律。本研究采用了基于自旋量子传感原理的金刚石NV色心技术--该技术以其极高的灵敏度和微米级的空间分辨率，成为磁测量领域的一项重要工具。即使在高压环境与材料不均匀性共存的极端实验条件下，NV色心量子传感技术依然表现出卓越的探测性能。凭借这一优势，团队成功实现了对金刚石压砧中高压非均匀超导样品的局部抗磁性检测，并达到微米级的高分辨精度。该工作不仅坚实证实了La3Ni2O7−的高温超导特性，也突显了固态色心量子传感技术在极端条件下进行高精度磁性测量的不可替代性，为未来超导材料和量子传感的应用提供了新的技术路径。

图2. La3Ni2O7−单晶的电阻曲线。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/yvj7-htb4