高压下的奇迹！美伯克利大学Nature：利用干式低温光学恒温器揭秘氢化物超导体中的迈斯纳效应

文章名称：Imaging the Meissner effect in hydride superconductors using quantum sensors

期刊：Nature IF 64.8

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07026-7

 

压力的存在能够直接改变微观相互作用，为凝聚相和地球物理现象的探索提供一个强大的调谐旋钮。兆巴(1 Mbar=100 GPa)压力区域的研究极具前沿代表，科学家们可在该压力区域研究高温超导材料的结构与相变。然而，在该高压环境中，许多传统的测量技术都失败了。针对此问题，美伯克利大学的N.Y.Yao教授团队利用干式封闭循环桌面式光学低温恒温器（attocube attoDRY800）突破性的在兆巴压力下以亚微米空间分辨率对金刚石砧单元内局部实现磁力测量的能力。相关研究内容以《Imaging the Meissner effect in hydride superconductors using quantum sensors》为题，在国际SCI期刊《Nature》上发表。

该课题组将浅层氮空位色心直接植入铁砧中（见图1），选择与氮空位色心固有对称性相兼容的晶体切割，以实现在兆巴压力下的功能。文章中对最近发现的氢化物超导体CeH₉进行了表征。通过同时进行磁学测量和电输运测量，观察到超导性的双重特征：迈斯纳效应的抗磁特性和电阻急剧下降到接近于零。通过局部映射抗磁响应和通量捕获，直接对超导区域的几何形状进行成像，在微米尺度上显示出明显的不均匀性（见图2d)。

图1：兆巴压力下的NV色心传感测量。1a为样品加载示意图显示CeH₉在两个相对的砧之间压缩。

图2：CeH₉的局部抗磁性。2a，2b: 同一个样品中两个不同位置处，在零场冷却到温度T < Tc时收集的ODMR光谱。2c: 样品S2的共聚焦荧光图像。2d：通过在不同的空间点进行ODMR光谱测量，可以确定一个约10 μm的局部抗磁性的子区域（用d中的虚线表示）。利用这个信号可以识别CeH₉已经成功合成的区域。

 

值得指出的是，该团队利用干式封闭循环桌面式光学低温恒温器（attocube attoDRY800）搭载实验所需的共聚焦荧光显微镜对NV色心进行了测量，见图3。该研究工作将量子传感带到兆巴边界，并使超氢化物材料合成的闭环优化成为可能。

 

图3：本实验的设备硬件与校正。3a: 用于产生磁场的设备包括一个定制的电磁铁，位于低温恒温器的电磁屏蔽外。3b：在样品S1的四个位置的不同冷却条件下的校准。3c: 样品S1的共聚焦荧光图像。3d: 在桌面式光学低温恒温器attoDRY800真空罩内部的图像显示DAC，冷指和热连接。

 

attoDRY800桌面式光学低温恒温器（见图4）是由德国attocube公司研发的一款干式闭循环低温恒温器，光学平台与系统冷头高度耦合，系统可提供4K到室温的变温环境。设备具有极低的震动噪音，已在国内外课题组广泛应用于量子通信、量子点发光、半导体材料、二维材料等研究领域。根据典型实验所需，该产品设计了几种标准真空罩方便用户进行拉曼、荧光等常见的测量手段对材料进行光-电-磁物理性质的变温测量。

图4. attoDRY800桌面式光学低温恒温器- 可以选配低温物镜，低温位移台以及其他定制配置。

 

attoDRY800桌面式光学低温恒温器已经在北京大学，半导体所，国家纳米科学中心等单位顺利运行，持续助力各个课题组的科研工作。图5为常见的的低温物镜兼容真空罩，该真空罩内可配置attocube特有的低温消色差物镜以及纳米精度位移台。如果实验（例如光纤量子通信与open cavity等实验）需要更复杂的实验设计，我们可以根据用户的技术要求和偏好定制桌面上的真空罩。

图5：常见配置-低温物镜兼容真空罩。

 

attoDRY800主要技术特点：

☛ 光学平台和闭式循环低温恒温器完美地结合在一起

☛ 提供无光学平台配置：全新一代独立光学低温恒温器attoDRY800xs

☛ 宽温度范围（3.8 K…300 K），自动温度控制

☛ 用户友好、多功能、模块化

☛ 与低温消色差物镜兼容，数值孔径大于0.8

☛ 可定制真空罩，标准样品空间：75mm直径。

☛ 与典型光学桌的高度相同

☛ 包含36根直流电线

图6：全新一代独立光学低温恒温器attoDRY800xs- 冷头与光学面包板高度集成。

 

attoDRY800桌面式光学低温恒温器 部分发表文献：

[1]. N.Y.Yao et al. Imaging the Meissner effect in hydride superconductors using quantum sensors. Nature 627, 73–79 (2024)

[2]. Liying Jiao et al. 2D Air-Stable Nonlayered Ferrimagnetic FeCr₂S₄ Crystals Synthesized via Chemical Vapor Deposition. Advanced Materials 2024

[3]. Yohannes Abate et al. Sulfur Vacancy Related Optical Transitions in Graded Alloys of Mo_xW_1-xS₂ Monolayers. Adv. Optical Mater. 2024, 2302326

[4]. Pablo P. Boix et al. Perovskite Thin Single Crystal for a High Performance and Long Endurance Memristor. Adv. Electron. Mater.2024, 2300475

[5]. Mauro Valeri et al. Generation and characterization of polarization-entangled states using quantum dot single-photon sources. 2024 Quantum Sci. Technol. 9 025002

[6]. Ajit Srivastava, et al; Quadrupolar–dipolar excitonic transition in a tunnel-coupled van der Waals heterotrilayer. Nature Materials  22, 1478–1484 (2023)

[7]. Hanlin Fang et al. Localization and interaction of interlayer excitons in MoSe₂/WSe₂ heterobilayers. Nature Communications 14 : 6910 (2023) 

[8]. S. Kolkowitz et al. Temperature-Dependent Spin-Lattice Relaxation of the Nitrogen-Vacancy Spin Triplet in Diamond, Phys. Rev. Lett. 130, 256903,2023

[9]. Yunan GAO, et al. Bright and Dark Quadrupolar Excitons in the WSe₂/MoSe₂/WSe₂ Heterotrilayer. Phys. Rev. Lett. 131, 186901,2023

[10]. Tim Schröder, et al. Optically Coherent Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Nanostructures. Phys. Rev. X 13, 011042 , 2023

 

attoDRY800桌面式光学低温恒温器 部分国内用户单位：