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 （下）

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（下）

#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

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将NV色心集成至金刚石压砧

将NV色心集成于金刚石对顶砧（DAC）中，目前主要采用离子注入型（INVs）与富NV荧光纳米金刚石（FNDs）两种方式，这些成果极大推动了高压环境下NV量子传感技术的发展。

荧光纳米金刚石（FNDs）操作简便、实验成本低，非常适配DAC实验，采用粒径约30纳米的超细荧光纳米金刚石，还可突破光学衍射极限。

不过，该方案存在明显短板：纳米颗粒的表面电荷会导致其量子性能远不及块状金刚石中的NV色心，进而限制了高压下脉冲类测量的开展。同时，纳米金刚石内NV色心的空间取向随机，也大幅增加了数据分析的难度。

离子注入型NV色心（INVs）主要分为[111]晶向与[100]晶向两种注入方案。在静水压传压介质环境中，[111]晶向的NV色心仍具备良好传感能力，并且受应力淬灭效应影响，分布在另外三个晶向的NV色心信号会被完全抑制，有效消除背景噪声，但也会造成部分磁场矢量信息丢失。另外根据现有研究，[111]晶向金刚石高压下易发生碎裂，这也增加了高压实验的成本。

至于[100]晶向的NV色心，其内部四种取向的NV色心各司其职，可完整提取磁场矢量信息。同时，四种NV晶向相对压砧台面的投影角度均约为54.7°；当原始探测信号较弱时，四组近简并的NV信号会相互叠加，最终光探测磁共振（ODMR）的信号对比度要高于单一取向的NV色心。

但随着压力的增加，特别是当压力超过50GPa时，DAC内部[100]晶向NV色心的量子特性受到严重影响，其ODMR信号会明显劣化，磁场探测灵敏度随之下降。但通过柱状结构设计，[100]晶向的NV色心在131GPa的高压下仍可保持优异的磁场探测灵敏度。

INVs的压力上限并非受制于NV色心本身，而是金刚石压砧的断裂极限，因此理论上还可继续向更高压力拓展。实验证明，通过调节晶体材料品质与缺陷调控工艺，NV色心的实际承压极限能够达到241GPa以上。

现有论文的实验结果表明，采用[111]晶向设计的金刚石压砧在百吉帕（兆巴级）的高压下，灵敏度可达μT/√Hz级别，其余类型的NV色心在十吉帕的压力区间内也具备良好性能，灵敏度普遍优于mT/√Hz，且金刚石NV色心的综合性能始终优于碳化硅（SiC）色心，充分体现了NV高压磁传感技术的稳定性。

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用NV色心观测迈斯纳效应

2024年，《Nature》刊发的论文《利用纳米尺度量子传感器观测兆巴压力下氢化物超导体的迈斯纳效应与磁通俘获现象》（Imaging the Meissner effect and flux trapping in a hydride superconductor at megabar pressures using a nanoscale quantum sensor）中，研究团队利用离子注入型NV色心压砧对氢化铈（CeH₉）样品展开测试。

在温度降至超导临界温度以下后逐步加大外加纵向磁场，氢化铈样品正上方测得的ODMR谱劈裂幅度（图b，绿色），相较于样品外测（图a，紫色）明显减弱，这一现象反映出样品存在明显的局部抗磁响应，这与迈斯纳效应一致。

在79Gs的磁场强度下进行变温测试，远离氢化铈样品的点（黄色），磁场强度在超导转变区间未发生明显变化；位于氢化铈样品正上方的点（红色和蓝色）则在转变过程中，其磁场值下降约2Gs，这一现象符合超导体的磁通排斥效应；而氢化铈样品边缘的点（绿色），磁场强度反而上升约2Gs，这是氢化铈超导体边缘的磁通再分布、局部磁通聚集现象。通过捕捉到样品不同区域的差异化磁通行为，凭借纳米级空间分辨率，NV色心为解析氢化铈的超导特性提供了可靠实验依据。

NV色心高压磁探测技术，不仅加深了人们对超氢化物非均匀合成过程的认知，也为深入探究其内在物理机制奠定了基础。通过优化实验方案，NV磁探测还可用于测量多项超导关键特征参量，直接获取伦敦穿透深度与相干长度等核心参数，进而为解析超氢化物的超导能隙与电子配对机制提供重要依据。除氢化物超导体，NV色心在铜基高温超导体、镍基超导体中亦有诸多应用，在此不做赘述。

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结语

凭借空间分辨率高、无背景干扰、无损探测等优势，NV磁探测能够捕捉传统方法难以观测的材料本征非均匀性与复杂相变行为，还可用于探究超离子冰、金属氢以及各类压力诱导型超导体等海量高压材料。

并且，将脉冲测量方案引入金刚石压砧中，还可以开展量子噪声谱、自旋动力学等测试，助力深入解析超导机理与电子关联效应。若能进一步将NV传感拓展至高压核磁共振检测领域，将成为颠覆性技术，为研究超导体的电子结构、自旋动力学与电子配对机制提供全新途径。

总体来看，随着量子传感技术的持续迭代与融合发展，NV磁探测终将成为极端条件下探索超导与各类新奇量子现象的核心、通用研究平台。

综述原文链接 ：

https://www.nature.com/articles/s44334-026-00088-7?sessionid=-1772091561