能夠合成並測量高壓超導體的多合一裝置

鑽石不僅能將材料擠壓到極高壓力，還能測量其磁性。現在，它可以同時進行這兩項任務。

近來，常溫超導體的研究更常是因醜聞登上頭條，而非有新的科學成果值得報導。在去年的美國物理學會三月會議上，羅切斯特大學的蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）在滿座的會議室中展示了他們在氮摻雜氫化鑭中發現的「近常壓」超導性；這些結果同時發表在《自然》雜誌上。然而到了十一月，《自然》雜誌撤回了這篇論文——這是迪亞斯團隊的第三次高調論文被撤回——而在今年三月，該大學決議認為迪亞斯的行為涉及學術倫理問題。

這一領域確實有取得一些已證實的進展。例如，加壓硫化氫和氫化鑭都在相對高溫下表現出超導性。（參見《今日物理》，2016年7月，第21頁，以及「加壓超導體接近室溫範圍」，《今日物理》線上文章，2018年8月23日。）但迪亞斯的實驗結果並不是這個飽受爭議的研究領域中唯一一個難以重現的。

一部分的問題在於這些實驗確實非常困難。大多數的候選材料在壓縮到數千億帕（數百萬倍大氣壓力）之前根本不存在，因此它們必須在壓力下合成，夾在所謂鑽石高壓砧（diamond anvil cell, DAC）中兩枚鑽石的尖端之間，一次合成一點點。迪亞斯的材料可被稱為近常壓是因為其使用相對輕柔的十億帕壓力，即便如此仍然需要使用DAC。

DAC的小樣本尺寸和其它限制使得所謂的超導體極難量測。識別一種材料為超導體的兩個關鍵特性是：其電阻降至零，並且從其內部排斥磁場。由於技術原因，在DAC內對微小樣本進行這兩項測量中的任意一項都很困難，而在同一樣本上同時進行這兩項測量幾乎是不可能的。

此外，一直以來都沒有好方法來微調高壓合成的過程，因為從一開始就無法確定微調品質如何。鑽石是透明的，因此可以通過光學方法觀察被壓縮的樣本。但僅僅是從外部觀察無法判斷是否整個樣本，還是只有當中一部分有超導性。

這兩個問題現在可能已經得到解方。這得歸功於先前任職於加州大學伯克利分校，現哈佛大學的姚諾曼（Norman Yao）、波士頓大學的克里斯多福·勞曼（Christopher Laumann）及其團隊的最新工作。他們開發了一種方法，使用植入鑽石中的氮-空位（nitrogen–vacancy, NV）中心缺陷，在DAC內進行空間解析磁力測量[1]。

結合NV磁力計和電力導線，便打造出一種既能創造又能量測高壓超導體的裝置，如圖1所示。這項技術可以一勞永逸地確定任何特定的加壓材料是否為超導體。而且，由於可以分別測量微小樣本不同部分周圍的磁場，它為超導體合成的成效提供了前所未有的資訊。

圖一.鑽石高壓砧（DAC）是進行高壓測量的標準工具，但其中沒有足夠的空間容納探測樣本的儀器。不過現在可以通過嵌入鑽石本身的氮-空位（NV）中心進行磁性測量。（改編自參考文獻1。）

情況升溫

超導體一直以來都是冷冰冰的。第一個已知的超導體是水銀，於1911年被發現在4.2 K（液氦的溫度）時具有超導性。其他普通金屬的超導溫度大致相似，這一現象已被1950年代的巴丁-庫柏-施里弗（Bardeen-Cooper-Schrieffer, BCS）理論很好地解釋：原子晶格中的振動促使屬於費米子的電子配對成類似玻色子的庫柏對，這些成對電子凝聚成超流體並且可以不受阻力地流動。

即使是在1980年代末震驚物理學界的所謂高溫超導體（於銅氧化物陶瓷材料中被發現），通常也需要冷卻到液氮溫度。這些非常規超導體不在BCS理論的範疇內，儘管經過幾十年的研究，其超導機制仍然未知。

在尋求常溫超導體的最新嘗試中，研究人員重新回歸這一領域的BCS傳統，遵循理論家尼爾·阿什克羅夫特（Neil Ashcroft）兩個間隔超過35年的提議[2]。首先，阿什克羅夫特預測如果氫被壓縮成金屬，輕質原子的振動甚至在高溫下也能形成庫柏對。然而，所需壓力約為五千億帕，這即使對於DAC來說也難以達成。因此，他的第二個提議——含氫豐富的重元素化合物在較為溫和的一千億到兩千億帕壓力下能展現相同的氫超導效應——為超導體獵人們提供了一個更實際的尋寶圖。

阿什克羅夫特的研究專注於像甲烷這樣在常壓下穩定的化合物，但大多數實現他的構想的實驗使用僅能在高壓下存在的氫化物。這些奇特材料必須在已加壓的DAC內合成，通常透過在DAC內塞滿反應物並用雷射照射來實現。而這正是研究這些材料如此具有挑戰性的原因。

原則上，在DAC內測量樣本的電導率是簡單的：只需如圖1所示在DAC內安裝微小的電輸運導線，然後在導線之間通過電流時測量電阻。但是，超導的標誌性零電阻只有在超導體尺寸橫跨導線之間的整個間隙時才會出現。勞曼說：「另一方面，導線可能會因受熱變形而短路。因此，如果冷卻和加熱DAC使導線接觸和斷開，看起來可能像是觀測到超導轉變，但實際並非如此。」

因此若要確定他們找到了新的氫化物超導體，研究人員必須用磁性測量來佐證電性測量。但前者的測量甚至比後者更棘手。目前並沒有一套好方法可以將標準的實驗室磁力計——如線圈——放入DAC內。因此，研究人員不得不將DAC放入磁力計內。「但這樣你測量的是整個DAC的磁性：螺絲、導線、電纜等等一切。所以，很難弄清楚究竟樣本的貢獻是多少」，勞曼說。

此外，對同一個加壓樣本進行這兩種超導性標誌的測量幾乎是互斥的。大到足以容納電導線的DAC無法放入磁力計。通常的方法是使用兩個DAC，一個大一個小，分別進行這兩項測量。但這兩個DAC可能含有不同的材料。事實上，考慮到高壓合成方法的不可靠性，它們很可能不一樣。姚提到：「即使是世界上最好的團隊，只有三分之一到一半的樣本顯示出超導特徵。」

能夠在同一樣本上進行電和磁測量的DAC或許能提供我們急需的清楚證據。但是，該怎麼做到呢？

NV的優勢

NV中心提供了一個便捷的解決方案。如其名稱所示，NV中心指的是當鑽石晶格中兩個相鄰的位置分別被氮原子和空位取代。這個點缺陷形成了一個類似原子的系統，其狀態可以輕易地用可見光波長的光來控制與探測。由於其易於操控和長相干時間的特性，NV中心常用來作為量子位元（參見Christopher Anderson和David Awschalom的文章，《今日物理》，2023年8月，第26頁）。且由於其光譜會受磁場影響，NV中心也被作為微型磁力計（參見《今日物理》，2018年8月，第16頁）。

姚和勞曼將NV中心嵌入鑽石表面的作法在事後看來似乎再明顯不過，因為NV中心位於鑽石中，而鑽石正是DAC的基礎材料。但NV中心像許多人一樣，不善於承受壓力。2014年的研究發現，NV中心受壓越大，其光譜雜訊越大，直到在50 GPa時其光譜特徵幾乎消失[3]。

因此，當三個研究小組（包括姚的團隊）在2019年首次嘗試將NV中心整合到DAC中作為高壓磁力計時，他們都專注在幾百億帕的壓力範圍——這樣的壓力太小，無法接觸到當時浮上檯面的超導氫化物[4]。「即使在這樣的壓力下，我們在訊噪比方面仍然損失慘重，」姚的前學生、新論文的第一作者普拉布迪亞·巴塔查爾雅（Prabudhya Bhattacharyya）說。「每次測量，我們都得等上半天到一天，看看是否能夠量到任何訊號。」

芝加哥大學的理論學家朱利亞·加利（Giulia Galli）幫助姚與勞曼的團隊精準點出了問題。通常，DAC中的鑽石會被切割成讓鑽石晶格的 [100] 面壓在樣本上，因為這是最容易拋光的晶面。但在這種配置下，NV中心的軸——即氮原子和空位之間的連線——相對於表面是斜的。這個角度的壓力會扭曲缺陷的對稱性，而丟失了對稱性則破壞了光譜信號。

研究人員改讓鑽石的[111]面朝向樣本，使得NV中心垂直於樣本表面，從而在更高的壓力下保持效用。巴塔查爾雅說：「而且訊噪比也大大改善。現在我們可以在十到二十分鐘內完成一次測量。」

回歸

配有NV中心的鑽石似乎比原本的鑽石脆弱一些，所以新的DAC實際上能夠達到多高的壓力還有待觀察。不過一旦他們達到了一千億帕的壓力，研究人員意識到他們已經準備好開始測試超導氫化物了。首先，他們選擇了氫化鈰，其超導溫度為91 K，以氫化物的標準算是中規中矩——但重要的是，它所需的壓力約為九百億帕。

至於樣品的合成，他們求助於中國吉林大學的黃小麗（Xiaoli Huang）和她的學生陳武豪（Wuhao Chen），他們對該材料進行了最初的電阻測量，並且是全球少數知道如何合成這種材料的研究人員之一。巴塔查爾雅說：「我從未親自見過武豪，但我們已經互相寄過無數次樣品了。我們的其中一件樣品肯定已經環遊過世界三四圈了」。DAC通常夠堅固，可以在郵寄過程中維持壓力並保持完好，儘管並不總是如此。

樣品的影像顯示在圖二中。左側的圖二（a）顯示了一張白光顯微鏡圖像；直至目前，像這樣的影像以及X光繞射結構，就是研究人員所有的空間解析資訊。

圖二.對於加壓樣本的空間解析測量一直很有挑戰性。(a) 光學顯微鏡圖像可以拍攝鑽石高壓砧內部，但它們並不能揭露樣品的材料特性。(b) 通過氮-空位（NV）中心的螢光，研究人員可以更加瞭解樣品。這張圖像中的明亮斑點僅表明了NV中心濃度較高的區域。但只要放大任何一個明亮斑點並詳細分析其螢光光譜，研究人員就可以測量局部磁場——這是了解樣品是否為超導體的關鍵測量。（改編自參考文獻1）

右側的圖二（b）顯示了NV中心螢光的圖像。圖像中的明亮斑點與氫化鈰樣品沒有直接關係——它們只是鑽石中具有更多NV中心的區域。但研究人員可以放大任何具有明顯螢光的斑點，測量NV中心的光譜，並從中推斷局部磁場。

如果斑點並非直接位於樣品上方，透過NV測量的磁場始終等於研究人員施加的任何磁場——這點一如預期。然而，在樣品上方的斑點，局部磁場被抑制了。這對於排斥磁場的超導材料來說，同樣是預期的結果。

但並非每個樣品上方的每個斑點都顯示相同的結果。勞曼說：「在五到十微米的尺度上，這些樣品實際上非常不均勻。以前從來沒有辦法在這個尺度上對它們進行量測，無法說『這個晶粒是超導體，那個晶粒不是』」。鈰氫化物看起來確實是一種超導體，但如何可靠地製備它還是個有待學習的課題。

腳踏實地
研究人員在姚位於哈佛大學的新實驗室對裝置進行技術升級，並擴展了他們可以達到的壓力範圍，現在大多數的假定超導氫化物都在他們的研究範圍內。勞曼說：「我們開始研究氫化鑭，並且剛合成出我們的第一個樣品。但它屬於較不幸的樣品之一，沒有在運回美國的過程中存活下來。」

一種測試氫化物超導體的可靠方法或能幫助平息這個領域的爭議，但材料本身是否能應用於現實世界仍然是一個問題。以它們目前的狀態來看——微量存在且需要在巨大壓力下——答案是否定的。但隨著該領域持續發展以及我們對材料更加理解，它們或許能提供線索，指向在接近常溫常壓條件下真正的超導材料。

更重要的是，超導氫化物並不是唯一能從新的高壓 NV 中心測量受益的材料。NV 中心光譜對磁場、溫度、應力和應變等其他性質都很敏感。勞曼說：「我們還在研究蛇紋石，它是一種與深層地震有關的礦物。這些地震的起因為何、是否是某種蛇紋石相變，目前都還是未解之謎。」

本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, May. 2024雜誌內 (Physics Today 77 (5), 12–14 (2024);https://doi.org/10.1063/pt.ivky.chwj)。原文作者：Johanna L. Miller。中文編譯：林祉均，國立清華大學物理所研究生。

Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates Physics Today (American Institute of Physics) authorizing Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Johanna L. Miller and was published in (Physics Today 77 (5), 12–14 (2024);https://doi.org/10.1063/pt.ivky.chwj9).The article in Mandarin is translated and edited by J.R Lin（National Tsing Hua University）.