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利用金剛石壓砧中氮空位中心可以檢測高壓超導體對磁場的排斥（）藝術圖。 圖片來源：埃拉·馬魯申科/美國科學促進會網站

據發表于最新一期《自然》雜志的論文，美國哈佛大學開發了一種精準測量超導體的基礎工具。他們創造性地將量子傳感器集成到標準的壓力感應設備中，從而直接讀出加壓材料的電和磁性質。

氫在壓力下的表現很奇怪。理論預測，這種通常是氣態的元素在100多萬個大氣壓的壓力下，會變成金屬，甚至還會變成超導體。科學家一直渴望了解超導富氫化合物（稱為氫化物）并最終將其用于實際，包括懸浮列車、粒子探測器等。但是，現有手段很難研究這些材料，想要準確測量更是困難重重。

而哈佛大學團隊開發的新工具不僅能測量氫化物超導體在高壓下的行為，還能對其成像。

在極端壓力下研究氫化物的標準方法是使用金剛石壓砧儀器，它可在兩個明亮式切割金剛石界面之間擠壓少量材料。為了檢測樣品何時被擠壓到足以超導，通常要尋找兩個特征：電阻降至零，以及對附近任何磁場的排斥作用（又名邁斯納效應）。

想要施加必要的壓力，研究人員必須用一個墊圈將樣品固定住，使擠壓均勻分布，然后將樣品封閉在一個腔室中。但這很難真正觀察到超導電性的雙重特征。

為了解決這個問題，研究人員設計并測試了一種巧妙的改造方式：他們將一層薄薄的傳感器直接集成到金剛石壓砧的表面上。該傳感器是由金剛石原子晶格中自然產生的缺陷制成的。他們使用這些被稱為氮空位中心的有效量子傳感器，在樣品被加壓并進入超導區域時，對腔內的區域進行了成像。為證明他們的概念，研究人員使用了氫化鈰，這種材料已知在大約100萬個大氣壓下會成為超導體。

新工具不僅可幫助科學家發現新的超導氫化物，還可更容易地研究現有超導材料。