高壓下的奇跡！美伯克利大學Nature：利用干式低溫光學恒溫器揭秘氫化物超導體中的邁斯納效應

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

期刊：Nature IF 64.8

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07026-7

　　壓力的存在能夠直接改變微觀相互作用，為凝聚相和地球物理現象的探索提供一個強大的調諧旋鈕。兆巴(1 Mbar=100 GPa)壓力區域的研究極具前沿代表，科學家們可在該壓力區域研究高溫超導材料的結構與相變。然而，在該高壓環境中，許多傳統的測量技術都失敗了。針對此問題，美伯克利大學的N.Y.Yao教授團隊利用干式封閉循環桌面式光學低溫恒溫器（attocube attoDRY800）突破性的在兆巴壓力下以亞微米空間分辨率對金剛石砧單元內局部實現磁力測量的能力。相關研究內容以《Imaging the Meissner effect in hydride superconductors using quantum sensors》為題，在國際SCI期刊《Nature》上發表。

　　該課題組將淺層氮空位色心直接植入鐵砧中（見圖1），選擇與氮空位色心固有對稱性相兼容的晶體切割，以實現在兆巴壓力下的功能。文章中對最近發現的氫化物超導體CeH₉進行了表征。通過同時進行磁學測量和電輸運測量，觀察到超導性的雙重特征：邁斯納效應的抗磁特性和電阻急劇下降到接近于零。通過局部映射抗磁響應和通量捕獲，直接對超導區域的幾何形狀進行成像，在微米尺度上顯示出明顯的不均勻性（見圖2d)。

圖1：兆巴壓力下的NV色心傳感測量。1a為樣品加載示意圖顯示CeH₉在兩個相對的砧之間壓縮。

圖2：CeH₉的局部抗磁性。2a，2b: 同一個樣品中兩個不同位置處，在零場冷卻到溫度T < Tc時收集的ODMR光譜。2c: 樣品S2的共聚焦熒光圖像。2d：通過在不同的空間點進行ODMR光譜測量，可以確定一個約10 μm的局部抗磁性的子區域（用d中的虛線表示）。利用這個信號可以識別CeH₉已經成功合成的區域。

　　值得指出的是，該團隊利用干式封閉循環桌面式光學低溫恒溫器（attocube attoDRY800）搭載實驗所需的共聚焦熒光顯微鏡對NV色心進行了測量，見圖3。該研究工作將量子傳感帶到兆巴邊界，并使超氫化物材料合成的閉環優化成為可能。

圖3：本實驗的設備硬件與校正。3a: 用于產生磁場的設備包括一個定制的電磁鐵，位于低溫恒溫器的電磁屏蔽外。3b：在樣品S1的四個位置的不同冷卻條件下的校準。3c: 樣品S1的共聚焦熒光圖像。3d: 在桌面式光學低溫恒溫器attoDRY800真空罩內部的圖像顯示DAC，冷指和熱連接。

　　attoDRY800桌面式光學低溫恒溫器（見圖4）是由德國attocube公司研發的一款干式閉循環低溫恒溫器，光學平臺與系統冷頭高度耦合，系統可提供4K到室溫的變溫環境。設備具有極低的震動噪音，已在國內外課題組廣泛應用于量子通信、量子點發光、半導體材料、二維材料等研究領域。根據典型實驗所需，該產品設計了幾種標準真空罩方便用戶進行拉曼、熒光等常見的測量手段對材料進行光-電-磁物理性質的變溫測量。

圖4. attoDRY800桌面式光學低溫恒溫器- 可以選配低溫物鏡，低溫位移臺以及其他定制配置。

　　attoDRY800桌面式光學低溫恒溫器已經在北京大學，半導體所，國家納米科學中心等單位順利運行，持續助力各個課題組的科研工作。圖5為常見的的低溫物鏡兼容真空罩，該真空罩內可配置attocube特有的低溫消色差物鏡以及納米精度位移臺。如果實驗（例如光纖量子通信與open cavity等實驗）需要更復雜的實驗設計，我們可以根據用戶的技術要求和偏好定制桌面上的真空罩。

圖5：常見配置-低溫物鏡兼容真空罩。

attoDRY800主要技術特點：

? 光學平臺和閉式循環低溫恒溫器完美地結合在一起

? 提供無光學平臺配置：全新一代獨立光學低溫恒溫器attoDRY800xs

? 寬溫度范圍（3.8 K…300 K），自動溫度控制

? 用戶友好、多功能、模塊化

? 與低溫消色差物鏡兼容，數值孔徑大于0.8

? 可定制真空罩，標準樣品空間：75mm直徑。

? 與典型光學桌的高度相同

? 包含36根直流電線

圖6：全新一代獨立光學低溫恒溫器attoDRY800xs- 冷頭與光學面包板高度集成。

attoDRY800桌面式光學低溫恒溫器 部分發表文獻：

　　[1]. N.Y.Yao et al. Imaging the Meissner effect in hydride superconductors using quantum sensors. Nature627, 73–79 (2024)

　　[2]. Liying Jiao et al. 2D Air-Stable Nonlayered Ferrimagnetic FeCr₂S₄Crystals Synthesized via Chemical Vapor Deposition. Advanced Materials2024

　　[3]. Yohannes Abate et al. Sulfur Vacancy Related Optical Transitions in Graded Alloys of Mo_xW_1-xS₂Monolayers. 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 Materials22, 1478–1484 (2023)

　　[7]. Hanlin Fang et al. Localization and interaction of interlayer excitons in MoSe₂/WSe₂heterobilayers. Nature Communications14 : 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/WSe₂Heterotrilayer. Phys. Rev. Lett.131, 186901,2023

　　[10]. Tim Schr?der, et al. Optically Coherent Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Nanostructures. Phys. Rev. X13, 011042 , 2023

　　attoDRY800桌面式光學低溫恒溫器 部分國內用戶單位：

相關產品

　　1.低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRYhttp://www.dongsenyule.com/product/2020022116.shtml