高压NV显微镜，量子传感新突破

近日，国际优质期刊Nature在线发表了关于镍酸盐La₃Ni₂O₇超导非均匀性起源的里程碑研究[1]。该工作由哈佛大学N. Y. Yao与波士顿大学C. R. Laumann团队，联合爱荷华州立大学V. I. Levitas等多机构合力完成，依托高压NV量子传感技术，较早从微观尺度揭开了高压超导异质性的核心秘密。 2019年，美国、法国、中国科研团队相继在Science发表成果，正式将NV色心量子传感引入高压科学，开启了高压量子精密测量的黄金时代[2,3,4]。本次研究正是该技术路线的集大成之作——研究团队将氮空位（NV）色心量子传感器集成于金刚石对顶砧（DAC），在高压环境下实现了La₃Ni₂O₇局域迈斯纳效应的微米级原位成像，为高压超导机理研究树立全新。 作为铜基高温超导的关键类比体系，La₃Ni₂O₇在高压下可实现 80K 液氮温区以上超导，却长期深陷超导行为不均、信号微弱、呈 “丝状"分布的困境，其微观成因始终悬而未决。而传统高压测试手段难以实现局域微观成像，无法定位异质性源头，成为领域内的技术瓶颈 核心创新：三大突破重塑高压超导研究范式 1、创新高压原位多模态量子成像技术 团队开发DAC内嵌NV量子传感器+宽场ODMR光谱联用技术，在微米级分辨率下，实现三大关键物性同步、原位、无损成像： 样品局域抗磁响应（迈斯纳效应） 三维应力张量（正应力+剪切应力） 微区化学计量比（元素比例） 该技术打破传统高压测量“宏观平均、微观模糊"的局限，让材料结构与功能的关联可被直接观测。 2、揭示超导非均匀性的微观根源 通过像素级多模态数据关联，研究较早明确La₃Ni₂O₇超导信号微弱、呈“丝状"分布的核心原因： 剪切应力淬灭超导：剪切应力＞2 GPa时，超导性被直接消除，是超导异质性的关键诱因。 化学计量比决定超导性能：仅La:Ni=3:2的精准配比区域，才能呈现优化超导特性。 3、构建三维全参数超导相图 突破传统“单轴压力"的简化描述，研究以样品自身局域不均匀性为天然数据库，较早构建温度–正应力–剪切应力三维连续超导相图，为高压超导的精准调控提供完整理论框架。 核心实验图示 NVDAC高压下微米级结构功能映射。a：高压下亚微米级磁响应成像，关联应力与化学成分。b：样品加载示意图。 c：样品与传压介质白光图像。 d：NV电子基态自旋能级随外磁场变化示意图。e：20 K、97 G下的ODMR谱线特征。 多模态关联与三维超导相图。 a：样品表面化学计量比分布（能量色散X射线光谱）。 b：超导区域局域正应力特征。e：优化正应力下剪应力矢量分布 f：温度–正应力–剪应力三维超导相图。 g/h：二维相图投影，清晰界定超导区间。 高压NV量子传感经典应用案例 案例一 磁铁矿Fe₃O₄高压磁相变原位成像[5] 2024年，中科院微观磁共振重点实验室基于NV量子传感，研发出可耐受100 GPa（百万大气压）的超高压磁成像技术，实现~1 μT/√Hz高灵敏度与亚微米级空间分辨率。该技术成功揭示：室温下随压力升高，磁铁矿从亚铁磁性→弱铁磁性→顺磁性连续转变，为地球深部矿物磁性研究提供全新实验手段。 Fe₃O₄相变时的ODMR成像图 案例二 富氢化合物CeH₉迈斯纳效应量子传感成像[6] 铈氢化物CeH₉是百万大气压下少数转变温度超90 K的富氢超导体，但其超导性长期缺乏迈斯纳效应的直接验证。2024年，吉林大学黄晓丽团队联合哈佛大学N. Y. Yao团队，在140 GPa创纪录高压下，利用NV量子传感较早直接成像CeH₉迈斯纳效应，证实其超导特性并发现磁通钉扎磁滞现象，明确其II类超导体本质，为富氢化物超导可靠性提供关键证据。 NV色心磁测量及电输运测量的DAC装置示意图。bc：样品四个点进行ODMR变温实验。四点法测电阻表明超导转变温度为91K。 国产精密装备：国仪量子高压NV显微系统 近期，国仪量子重磅推出高压NV显微镜，作为先进的高压NV磁场成像系统，良好支撑前沿研究，核心参数达到先进水平。该系统可实现宽压力范围、高灵敏度磁成像，为非常规超导、拓扑物态、条件物性研究提供国产化核心装备。 展望未来：逐光室温超导，量子传感赋能前行 室温超导，被誉为凝聚态物理学领域的“圣杯"，而高压技术，正是解锁这一前沿目标的核心关键路径。从富氢化物超导领域的学术争议与突破，到镍基超导机理的关键性进展；从LK-99引发的全球科研热议，到高压量子传感技术的迭代升级，科研工作者们始终扎根条件，执着探索物质的本质规律与未知特性。如今，超导转变温度正稳步攀升，实现超导所需的压力条件也不断降低[7]，这一系列突破让我们对室温超导的实现充满无限期待。 高压NV显微镜凭借量子级的测量精度、微米级的成像能力，以及高压环境下原位观测的独特优势，已然成为高压科学与超导研究领域的改进型工具。我们坚信，随着技术的持续迭代与创新，高压NV显微镜将持续为科研工作者赋能，助力人类逐步揭开室温超导的神秘面纱，让人类在条件下物质物性的探索之路，走得更稳、更远、更深入。