大家都知道，電流通過導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生電阻，導(dǎo)致能量損耗。但是，有一些特殊的材料，在低溫下會(huì)出現(xiàn)一種奇妙的現(xiàn)象，就是電阻突然變?yōu)榱悖娏骺梢詿o損耗地流動(dòng)，這種現(xiàn)象就叫做超導(dǎo)。超導(dǎo)是一種宏觀的量子效應(yīng)，它涉及到電子的配對(duì)和凝聚，以及晶格的振動(dòng)。超導(dǎo)材料在低溫下，不僅具有零電阻，還具有完全抗磁性，也就是說它們會(huì)排斥外部的磁場(chǎng)，使得磁場(chǎng)無法穿透，這種現(xiàn)象就叫做邁斯納效應(yīng)。邁斯納效應(yīng)可以用來制造懸浮的磁鐵，也可以用來屏蔽電磁干擾。

超導(dǎo)材料的挑戰(zhàn)

超導(dǎo)現(xiàn)象是非常有用的，它可以用來制造高效的電力輸送、強(qiáng)大的磁體、快速的計(jì)算機(jī)等等。但是，超導(dǎo)現(xiàn)象只在低溫下出現(xiàn)，而低溫的制造和維持是非常困難和昂貴的。因此，人們一直在尋找一種高溫超導(dǎo)材料，這樣的材料將會(huì)引發(fā)一場(chǎng)科技革命，改變?nèi)祟惖纳睢?/p>

理論上，氫原子是最有可能形成高溫超導(dǎo)的元素，因?yàn)樗馁|(zhì)量很小，可以產(chǎn)生高頻的晶格振動(dòng)，從而增強(qiáng)電子的配對(duì)。但是，氫原子要變成金屬的狀態(tài)，需要非常高的壓力，這在實(shí)驗(yàn)上是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，人們轉(zhuǎn)而研究一些富含氫的化合物，比如硫化氫、鑭化氫等，這些化合物在相對(duì)較低的壓力下，就可以顯示出超導(dǎo)的性質(zhì)。近年來，有一些實(shí)驗(yàn)報(bào)道了在高壓下發(fā)現(xiàn)了氫化物的超導(dǎo)現(xiàn)象，比如硫化氫、鑭化氫、鈰化氫等。其中，鈰化氫的超導(dǎo)臨界溫度達(dá)到了260開爾文，是目前已知的最高的。

要證明一個(gè)材料是超導(dǎo)體，通常需要兩個(gè)方面的證據(jù)：一是電阻的消失，二是邁斯納效應(yīng)的出現(xiàn)。然而，在高壓下進(jìn)行這樣的測(cè)量是非常困難的，因?yàn)樾枰诤苄〉目臻g內(nèi)放置很多的電極和磁線圈，而且還要避免對(duì)樣品造成損傷。因此，有些實(shí)驗(yàn)只能測(cè)量到電阻的消失，而不能測(cè)量到邁斯納效應(yīng)，這就引起了一些爭(zhēng)議，有人懷疑這些實(shí)驗(yàn)是否真的觀察到了超導(dǎo)，還是由于其他的原因?qū)е铝穗娮璧南陆怠?/p>

超導(dǎo)材料的新方法

最近，一篇發(fā)表在《自然》的論文，介紹了一種新的方法，來測(cè)量一種富含氫的化合物——鈰超氫化物的超導(dǎo)性質(zhì)。這種方法使用了一種量子傳感器，這種量子傳感器是用金剛石制成的。金剛石里面有一些氮空位中心，也就是缺少一個(gè)碳原子，而用一個(gè)氮原子代替的位置。

這些氮空位中心可以發(fā)出紅色的熒光，而且對(duì)磁場(chǎng)非常敏感。通過調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，可以改變熒光的強(qiáng)度和頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量。這種量子傳感器的優(yōu)點(diǎn)是，它可以承受非常高的壓力，而且可以實(shí)現(xiàn)亞微米的空間分辨率。因此，它可以用來測(cè)量超導(dǎo)材料的磁性，從而證實(shí)它們的超導(dǎo)性質(zhì)。

論文的作者就是這樣做的，他們把鈰超氫化物放在一個(gè)金剛石壓砧里，也就是一種用兩個(gè)鉆石對(duì)著的裝置，可以產(chǎn)生高達(dá)幾百萬個(gè)大氣壓的壓力。然后，他們用一個(gè)量子傳感器，來測(cè)量鈰超氫化物的磁場(chǎng)分布。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)，鈰超氫化物就會(huì)表現(xiàn)出邁斯納效應(yīng)，也就是磁場(chǎng)被排斥出去，形成一個(gè)空白的區(qū)域，這就是超導(dǎo)的證據(jù)。

同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)，樣品內(nèi)部有一些磁通量被困住了，這說明樣品是一種類型二的超導(dǎo)體，即它可以容忍一定程度的磁場(chǎng)穿透。他們還發(fā)現(xiàn)，樣品的超導(dǎo)區(qū)域并不均勻，有一些微米級(jí)的不均勻性，這可能是由于樣品的結(jié)構(gòu)或者化學(xué)組成的變化造成的。

這篇論文的意義

這篇論文的意義是非常重大的，因?yàn)樗堑谝淮卧诟邏合碌臍浠锍瑢?dǎo)體中觀察到邁斯納效應(yīng)，從而消除了之前的爭(zhēng)議，證實(shí)了這種材料的超導(dǎo)本質(zhì)。這也是第一次使用量子傳感器來測(cè)量高壓下的超導(dǎo)性，展示了這種方法的優(yōu)勢(shì)和潛力。這篇論文為高溫超導(dǎo)的研究開辟了新的視角和途徑，也為超導(dǎo)的應(yīng)用提供了新的希望。