金刚石量子传感“看见”镧氢超导抗磁性——近180 GPa 高压下实现迈斯纳效应原位成像

当压力接近地球深部条件，量子传感器让超导体内部的磁场屏蔽变得可观测。

导读

高温超导研究长期面临一个关键问题：在极端高压下，如何直接获取材料是否具有超导磁学性质的实验依据。镧氢化合物被认为是高压氢化物超导研究中的重要体系，其超导转变温度可接近室温，但样品尺寸小、压力高、环境复杂，使传统磁学测量面临较大困难。中国科学院物理研究所等单位研究人员利用金刚石中的氮—空位色心（NV色心）量子传感技术，采用气态传压介质，将 NV 色心的工作压强拓展至近 180 GPa。在 155 GPa 压力下，研究人员在约 237 K 附近观测到镧氢化合物的磁场屏蔽和迈斯纳效应，并通过空间分辨测量发现，未充分退火样品内部存在明显不均匀性。该研究为极端高压条件下超导材料的原位磁学表征提供了新的实验路径。

Part 1

科学背景：

高压超导研究为何需要“看见”磁场屏蔽？

超导现象通常表现为两个相互关联的特征：电阻显著下降，乃至在理想条件下趋近于零；同时，材料对外部磁场产生排斥或屏蔽，即迈斯纳效应。对于超导研究而言，电输运测量能够反映材料导电状态的变化，而磁学测量则有助于判断材料是否出现超导相关的磁响应。

近年来，富氢化合物成为高温超导研究的重要方向。氢元素具有较轻的原子质量，能够形成较高频率的晶格振动；在适当的化学组成和高压条件下，这些因素可能有利于较高温度超导状态的形成。镧氢化合物正是这一研究方向中的代表性体系，其超导转变温度可达到约250 K附近，因而受到国际凝聚态物理学界持续关注。

然而，镧氢化合物通常需要在超过百万个大气压量级的高压条件下形成和稳定存在。实验样品往往被封装在金刚石对顶砧装置的微小腔体内，尺寸有限，周围还存在金刚石、垫片和传压介质等复杂环境。传统磁学测量在这样的条件下容易受到背景信号、样品体积和压力环境的影响。

更重要的是，高压条件下样品内部可能并不均匀。不同区域的化学组成、晶体结构、应力状态和退火程度，均可能影响超导转变温度。如果只能获得整个样品的平均信号，就难以判断超导响应究竟来自哪些区域，也难以区分不同相或不同状态之间的差异。

因此，如何在极端高压环境中，同时实现磁学测量与空间分辨，成为高压超导实验的重要技术问题。此次研究将金刚石量子传感技术引入镧氢化合物体系，正是针对这一问题展开。

Part 2

技术突破：

在近 180 GPa 条件下实现原位量子磁学探测

针对上述难题，研究团队将金刚石 NV 色心量子传感技术与金刚石对顶砧高压技术相结合，提出了一条“原位量子磁学探测”的技术路线：利用 NV 色心作为原子级磁场探针，集成于高压腔内部，通过光探测磁共振（ODMR）技术读取局域磁场信号，从而在极端高压条件下实现对镧氢化合物磁学响应的直接观测。

从金刚石缺陷中心获取局域磁场信息

研究采用的核心技术是金刚石中的氮—空位色心，通常简称 NV 色心。NV 色心是金刚石晶格中的一种点缺陷，由氮原子与相邻空位构成。其电子自旋状态对周围磁场、温度和其他物理环境变化较为敏感，因此可以作为微型量子传感器。

在实验中，研究人员通过光学激发和微波操控，读取NV 色心的自旋共振信号。外部磁场变化会引起共振频率变化，研究人员据此反推出局域磁场信息。这一方法具有非接触、空间分辨率较高等特点，能够在不直接接触样品的情况下，探测高压腔体内的磁场变化。

此前，NV 色心量子传感已经被用于高压环境下的磁学研究，但随着压力升高，金刚石内部缺陷中心的工作条件、信号读取和测量稳定性都会受到影响。如何使量子传感器在更高压力下保持可用，是技术实施中的关键难点。

采用气态传压介质拓展工作压力范围

此次研究的重要技术进展之一，是采用气态传压介质，将 NV 色心的工作压强拓展至近 180 GPa。该技术路线使量子传感器能够进入此前较难覆盖的高压区间，为研究高压氢化物的磁学性质提供了条件。

研究人员将 NV 色心与金刚石对顶砧高压装置结合，在高压环境中对镧氢化合物进行原位测量。与仅依靠电阻变化判断超导状态的方式不同，量子传感器能够直接获取样品周围磁场的局域变化，从而寻找与磁场屏蔽和迈斯纳效应相关的实验信号。

需要指出的是，NV 色心测量反映的是局域磁学响应。它并不是对整个样品宏观磁化强度的简单替代，而是为极小样品提供了具有空间信息的磁场探测手段。这种测量方式尤其适合高压腔体内样品尺寸小、内部状态可能不均匀的实验条件。

在 155 GPa 下观测到约 237 K 附近的磁场屏蔽

在实验结果方面，研究人员在 155 GPa 压力下，于约 237 K 附近观测到镧氢化合物的磁场屏蔽和迈斯纳效应。论文摘要将相关温度概括为约 240 K。这一结果为镧氢化合物在高温高压条件下存在超导相关磁学响应提供了实验依据。

这里需要区分两个层面。

第一，磁场屏蔽和迈斯纳效应是超导研究中的重要磁学特征。通过观测外部磁场在样品附近受到屏蔽，研究人员能够获得材料进入超导相关状态后的磁学证据。

第二，局域量子传感结果不应被直接表述为对整个样品“完全抗磁性”的宏观测量，也不能在没有相应数据的情况下，将本项研究描述为同时完成了零电阻和宏观完全抗磁性的联合验证。此次论文的核心贡献，是在极端高压条件下，利用原位量子传感观测到镧氢化合物的磁场屏蔽和迈斯纳效应。

空间分辨测量揭示样品内部的不均匀性

除温度和压力条件下的磁学响应外，研究还开展了空间分辨测量。结果显示，未充分退火样品内部存在明显的不均匀性，其不同区域表现出不同的超导转变特征。该样品的超导转变温度较低，约为 220 K。

这一发现说明，在高压氢化物研究中，样品制备和热处理过程可能对实验结果产生重要影响。即使样品处于相同的外部压力下，其内部不同位置也可能由于化学组成、晶体结构或局部状态差异，呈现不同的磁学响应。

独立的 X 射线衍射测量表明，该较低的超导转变温度可能与 LaH9.5±δ 相有关。这里的“可能”十分重要：X 射线衍射结果为相组成与超导转变之间的关联提供了支

空间分辨量子传感的价值正在于此。它能够将样品的平均响应进一步分解为局部区域的响应，使研究人员有机会把磁学信号与样品结构、退火状态及化学组成联系起来。对于高压超导材料而言，这不仅关系到对超导现象的判断，也关系到对样品制备质量和实验重复性的评价。

从“是否超导”走向“哪里出现超导响应”

传统高压超导实验往往需要在有限样品体积和复杂背景条件下，对整体信号进行分析。此次研究所展示的原位量子传感方法，则提供了另一种思路：在极端压力环境中，通过局域磁场测量识别样品内部不同区域的状态。

这并不意味着传统电输运、结构分析和常规磁学测量已经不再重要。相反，量子传感的意义在于与这些手段形成互补。电输运可以提供电阻变化信息，X 射线衍射可以帮助分析晶体结构和相组成，而 NV 色心则能够提供局域磁学响应。多种证据相互结合，有助于提高高压超导研究的可靠性和解释能力。

Part 3

产业关联与应用展望：

为极端条件下材料表征提供新工具

此次研究首先是一项基础物理研究成果，其直接价值在于拓展了极端高压条件下的原位磁学测量能力。对于高压超导研究而言，材料是否出现超导响应，不仅取决于转变温度，还需要结合磁学、电输运和结构等多方面证据进行判断。NV 色心量子传感为其中的磁学环节提供了新的技术选择。

从高压实验技术看，研究将气态传压介质与金刚石量子传感结合，使传感器的工作压力达到近 180 GPa。这一技术路径有望为其他高压材料体系的局域磁场研究提供参考，尤其适用于样品体积较小、实验环境复杂、传统磁学测量较难实施的场景。

从材料研发看，空间分辨测量揭示了未充分退火样品内部的明显不均匀性，说明高压材料研究不能只关注平均性能，也需要重视样品制备、热处理和局部结构状态。未来，相关技术可能用于分析不同区域的磁学差异，为高压材料质量评价和实验条件优化提供辅助依据。

从量子传感产业看，NV 色心技术正在从基础量子物理研究逐步进入材料科学、极端条件物理和精密测量等领域。此次成果展示了量子传感器在高压环境中的应用潜力，也说明量子传感技术的发展不仅依赖传感器本身，还需要与高压装置、光学系统、微波控制和数据分析方法协同发展。

相关应用仍处于科学研究和技术验证阶段。高压量子传感能否进一步形成可重复、可推广的材料表征流程，还需要在不同材料、不同压力区间和不同实验装置中开展更多验证。

Part 4

总结与展望

让高压超导研究获得更清晰的磁学证据

镧氢化合物是高压高温超导研究中的重要材料体系。由于样品尺寸小、压力高、环境复杂，如何直接获取其超导磁学性质，一直是实验研究中的关键问题。

此次研究利用金刚石 NV 色心量子传感技术，在近180 GPa 的工作压力范围内实现原位磁学探测，并在155 GPa、约 237 K 附近观测到镧氢化合物的磁场屏蔽和迈斯纳效应。空间分辨测量进一步揭示了未充分退火样品内部的不均匀性，独立 X 射线衍射结果则提示，较低的超导转变温度可能与 LaH9.5±δ 相有关。

这项工作的重要意义，不仅在于获得了高压氢化物的磁学实验依据，也在于展示了量子传感技术在极端条件材料研究中的应用路径。随着高压装置、量子传感器和结构分析手段进一步结合，研究人员有望更加精细地认识高压材料的局域状态、相组成及其与超导性质之间的关系。

科研团队信息

该研究论文《Imaging the Meissner effect in lanthanum hydride using diamond quantum sensors》，发表于国际 学 术 期 刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》（PNAS）。研究由中国科学院物理研究所、北京凝聚态物理国家研究中心等单位合作完成。

论文共同第一作者为陈旸、文俊彦、何泽旭；共同通讯作者为于晓辉、陈刘城、刘刚钦。合作作者包括范经纬、潘新宇、吉诚和缑慧阳等。

研究获得国家重点研发计划、国家重大科技专项、国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项等支持，并获得欧洲同步辐射装置（ESRF）及国家重大科技基础设施综合极端条件实验装置（SECUF）的实验条件支持。相关研究依托中国科学院物理研究所开展，SECUF 所提供的极端条件实验平台为高压量子传感研究提供了重要支撑。该装置位于怀柔科学城，由中国科学院物理研究所主建。

来源：怀柔科学城城市客厅新媒体中心 孙践伟

编辑：柯欣

审核：王汝霖

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