科技前沿 | 金刚石压砧中的NV色心磁测量技术如何用于高压超导材料研究（上）
国盛量子
科技前沿 | 金刚石压砧中的NV色心磁测量技术如何用于高压超导材料研究（上）
#楔子#
近日，香港科技大学物理系杨森团队在《npj Advanced Manufacturing》发表综述《利用金刚石量子传感器诊断高压超导体》（Diagnosing High-Pressure Superconductors using Diamond Quantum Sensors: A Review），系统地回顾了金刚石氮-空位（NV）色心磁测量技术在高压超导研究领域的最新进展。
以下内容整理自论文原文
01
概述
高压技术是探索高温及室温超导的重要研究手段，然而高压实验本身存在样品体积小、电极布线受限等问题，现有的高压探针检测手段普遍存在空间分辨率低、背景噪声大的缺陷，大幅增加了数据分析与解读的难度。
因此，业内亟需一套同时具备优异的空间分辨率与磁场探测灵敏度的、可靠的高压实验检测技术。在此背景下，金刚石氮空位（NV）色心原位测量技术被更多地应用于高压实验当中。
02
金刚石压砧的加压原理
在某些超导体的研究中（如超氢化物），必须借助高温高压条件才能发生化学反应、完成制备。例如，LaH10-δ需在175GPa、1000–1500K的高温高压环境下才能合成。
金刚石对顶砧（DAC）是高压实验中的核心设备，主要由基座、容纳传压介质（PTM）的密封垫片，以及一对用于产生高压的金刚石压砧组成。压力大小与压砧台面直径成反比，当压砧台面直径为100微米时，装置可产生远超100GPa（吉帕）的超高压力。
03
金刚石NV色心介绍
NV色心是金刚石内部的一种点缺陷，与金刚石压砧装置天然适配。NV色心拥有独特的能级结构，可实现光学的初始化与信号读出，结合微波激励还能够完成量子相干操控。当微波频率与电子自旋能级∣0⟩↔∣±1⟩的跃迁频率发生共振时，NV色心发出的荧光信号会出现凹陷的共振峰。
该体系基态的有效哈密顿量表达式如下：
其中，磁场会引发塞曼分裂，使共振峰发生劈裂；压力作用会使零场分裂参数D向高频方向移动。因此，通过解析光探测磁共振谱（ODMR谱），便可反推材料所处的局部环境。在金刚石压砧中制备NV色心，十分适用于高压环境下的光学磁检测，也为解决高压超导研究中现存的诸多难题提供了理想方案。
若要观测迈斯纳效应，可通过监测ODMR谱的变化，监测局部磁场状态。当材料进入超导态时，内部磁通量会被完全排出，材料表面的杂散磁场随之减弱。这一变化会直接改变NV色心的塞曼分裂特征，使光探测磁共振的共振峰出现可被精准测量的变化。在加压条件下持续追踪这类谱线特征，就能通过材料的磁响应规律开展超导特性研究。
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