文章名稱(chēng)：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(guān)相互作用，為凝聚相和地球物理現(xiàn)象的探索提供一個(gè)強(qiáng)大的調(diào)諧旋鈕。兆巴(1 Mbar=100 GPa)壓力區(qū)域的研究極具前沿代表，科學(xué)家們可在該壓力區(qū)域研究高溫超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)與相變。然而，在該高壓環(huán)境中，許多傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)都失敗了。針對(duì)此問(wèn)題，美伯克利大學(xué)的N.Y.Yao教授團(tuán)隊(duì)利用干式封閉循環(huán)桌面式光學(xué)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(duì)金剛石砧單元內(nèi)局部實(shí)現(xiàn)磁力測(cè)量的能力。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以《Imaging the Meissner effect in hydride superconductors using quantum sensors》為題，在國(guó)際SCI期刊《Nature》上發(fā)表。

        該課題組將淺層氮空位色心直接植入鐵砧中（見(jiàn)圖1），選擇與氮空位色心固有對(duì)稱(chēng)性相兼容的晶體切割，以實(shí)現(xiàn)在兆巴壓力下的功能。文章中對(duì)近來(lái)發(fā)現(xiàn)的氫化物超導(dǎo)體CeH9進(jìn)行了表征。通過(guò)同時(shí)進(jìn)行磁學(xué)測(cè)量和電輸運(yùn)測(cè)量，觀(guān)察到超導(dǎo)性的雙重特征：邁斯納效應(yīng)的抗磁特性和電阻急劇下降到接近于零。通過(guò)局部映射抗磁響應(yīng)和通量捕獲，直接對(duì)超導(dǎo)區(qū)域的幾何形狀進(jìn)行成像，在微米尺度上顯示出明顯的不均勻性（見(jiàn)圖2d)。

圖1：兆巴壓力下的NV色心傳感測(cè)量。1a為樣品加載示意圖顯示CeH₉在兩個(gè)相對(duì)的砧之間壓縮。

圖2：CeH₉的局部抗磁性。2a，2b: 同一個(gè)樣品中兩個(gè)不同位置處，在零場(chǎng)冷卻到溫度T < Tc時(shí)收集的ODMR光譜。2c: 樣品S2的共聚焦熒光圖像。2d：通過(guò)在不同的空間點(diǎn)進(jìn)行ODMR光譜測(cè)量，可以確定一個(gè)約10 μm的局部抗磁性的子區(qū)域（用d中的虛線(xiàn)表示）。利用這個(gè)信號(hào)可以識(shí)別CeH₉已經(jīng)成功合成的區(qū)域。

值得指出的是，該團(tuán)隊(duì)利用干式封閉循環(huán)桌面式光學(xué)低溫恒溫器（attocube attoDRY800）搭載實(shí)驗(yàn)所需的共聚焦熒光顯微鏡對(duì)NV色心進(jìn)行了測(cè)量，見(jiàn)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(huán)優(yōu)化成為可能。

圖3：本實(shí)驗(yàn)的設(shè)備硬件與校正。3a: 用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的設(shè)備包括一個(gè)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(gè)位置的不同冷卻條件下的校準(zhǔn)。3c: 樣品S1的共聚焦熒光圖像。3d: 在桌面式光學(xué)低溫恒溫器attoDRY800真空罩內(nèi)部的圖像顯示DAC，冷指和熱連接。

        attoDRY800桌面式光學(xué)低溫恒溫器（見(jiàn)圖4）是由德國(guó)attocube公司研發(fā)的一款干式閉循環(huán)低溫恒溫器，光學(xué)平臺(tái)與系統(tǒng)冷頭高度耦合，系統(tǒng)可提供4K到室溫的變溫環(huán)境。設(shè)備具有極低的震動(dòng)噪音，已在國(guó)內(nèi)外課題組廣泛應(yīng)用于量子通信、量子點(diǎn)發(fā)光、半導(dǎo)體材料、二維材料等研究領(lǐng)域。根據(jù)典型實(shí)驗(yàn)所需，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)了幾種標(biāo)準(zhǔn)真空罩方便用戶(hù)進(jìn)行拉曼、熒光等常見(jiàn)的測(cè)量手段對(duì)材料進(jìn)行光-電-磁物理性質(zhì)的變溫測(cè)量。

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

        attoDRY800桌面式光學(xué)低溫恒溫器已經(jīng)在北京大學(xué)，半導(dǎo)體所，國(guó)家納米科學(xué)中心等單位順利運(yùn)行，持續(xù)助力各個(gè)課題組的科研工作。圖5為常見(jiàn)的的低溫物鏡兼容真空罩，該真空罩內(nèi)可配置attocube特有的低溫消色差物鏡以及納米精度位移臺(tái)。如果實(shí)驗(yàn)（例如光纖量子通信與open cavity等實(shí)驗(yàn)）需要更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，我們可以根據(jù)用戶(hù)的技術(shù)要求和偏好定制桌面上的真空罩。

圖5：常見(jiàn)配置-低溫物鏡兼容真空罩。

attoDRY800主要技術(shù)特點(diǎn)：

? 光學(xué)平臺(tái)和閉式循環(huán)低溫恒溫器結(jié)合在一起

? 提供無(wú)光學(xué)平臺(tái)配置：全新一代獨(dú)立光學(xué)低溫恒溫器attoDRY800xs

? 寬溫度范圍（3.8 K…300 K），自動(dòng)溫度控制

? 用戶(hù)友好、多功能、模塊化

? 與低溫消色差物鏡兼容，數(shù)值孔徑大于0.8

? 可定制真空罩，標(biāo)準(zhǔn)樣品空間：75mm直徑。

? 與典型光學(xué)桌的高度相同

? 包含36根直流電線(xiàn)

圖6：全新一代獨(dú)立光學(xué)低溫恒溫器attoDRY800xs- 冷頭與光學(xué)面包板高度集成。

attoDRY800桌面式光學(xué)低溫恒溫器 部分發(fā)表文獻(xiàn)：

[1]. N.Y.Yao et al. Imaging the Meissner effect in hydride superconductors using quantum sensors. Nature 627, 73–79 (2024)

[2]. Liying Jiao et al. 2D Air-Stable Nonlayered Ferrimagnetic FeCr2S4 Crystals Synthesized via Chemical Vapor Deposition. Advanced Materials 2024

[3]. Yohannes Abate et al. Sulfur Vacancy Related Optical Transitions in Graded Alloys of MoxW1-xS2 Monolayers. 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 Materials  22, 1478–1484 (2023)

[7]. Hanlin Fang et al. Localization and interaction of interlayer excitons in MoSe2/WSe2 heterobilayers. Nature Communications 14 : 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/WSe2 Heterotrilayer. Phys. Rev. Lett. 131, 186901,2023

[10]. Tim Schr?der, et al. Optically Coherent Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Nanostructures. Phys. Rev. X 13, 011042 , 2023

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