研究人员开发了理解氢化物超导体在高压下行为的“基础工具”

氢（和我们许多人一样）在压力下表现得很奇怪。理论预测，当这种轻质、丰富、通常为气态的元素被大气层的100多万倍的重量压碎时，它首先会变成金属，更奇怪的是，它会变成超导体——一种无电阻导电的材料

科学家们一直渴望了解并最终利用超导富氢化合物，称为氢化物，用于实际应用——从悬浮列车到粒子探测器。但是，研究这些材料和其他材料在巨大、持续的压力下的行为绝非实际，准确测量这些行为介于噩梦和不可能之间

就像计算器用于算术，以及ChatGPT用于撰写五段文章一样，哈佛大学的研究人员认为，他们有一个基础工具来解决如何测量和成像氢化物超导体在高压下的行为这一棘手问题

他们在《自然》杂志上发表报告称，创造性地将量子传感器集成到标准的压力感应设备中，从而能够直接读取加压材料的电学和磁学特性

这项创新来自物理学教授Norman Yao博士与波士顿大学教授、前哈佛大学博士后Christopher Laumann的长期合作，他们几年前一起从理论背景出发，进入高压测量的实践考虑

在极端压力下研究氢化物的标准方法是使用一种名为金刚石砧座室的仪器，该仪器在两个明亮切割的金刚石界面之间挤压少量材料

为了检测样品何时被挤压到足以超导，物理学家通常会寻找双重特征：电阻降至零，以及附近任何磁场的排斥力，也就是迈斯纳效应。（这就是为什么陶瓷超导体在用液氮冷却时会悬停在磁铁上的原因）

问题在于捕捉这些细节。为了施加必要的压力，必须用均匀分布挤压的垫圈将样品固定到位，然后将其封闭在一个腔室中。这使得很难“看到”内部发生了什么，因此物理学家不得不使用涉及多个样本的变通方法来分别测量不同的效果

姚说：“超导氢化物领域一直有点争议，部分原因是高压下的测量技术非常有限。”

“问题是，你不能只把传感器或探针粘在里面，因为所有东西都是封闭的，而且压力非常高。这使得从腔室内部获取局部信息变得极其困难。因此，没有人真正在单个样本中观察到超导电性的双重特征。”

为了解决这个问题，研究人员设计并测试了一种巧妙的改造：他们将一层由钻石原子晶格中自然存在的缺陷制成的传感器直接集成到钻石砧的表面。他们使用这些被称为氮空位中心的有效量子传感器，在样品被加压并进入超导区域时，对腔室内的区域进行成像

为了证明他们的概念，他们研究了氢化铈，一种已知在大约一百万个大气压下成为超导体的材料，也就是物理学家所说的兆巴状态

这一新工具不仅可以发现新的超导氢化物，还可以更容易地获得现有材料中令人垂涎的特性，以便继续研究，从而对该领域有所帮助

Laumann说：“你可以想象，因为你现在正在[氮空位]金刚石砧座电池中制造东西，你可以立即看到‘这个区域现在是超导的，这个区域不是’，你可以优化你的合成，并想出一种方法来制造更好的样品。”