哈佛大学一支凝聚态物理团队近日在《自然》发表论文，披露对一种有前景的高压超导体为何呈现“神秘不均”现象的新观察。研究人员通过在经典高压实验装置中引入量子传感器，实现对材料在高压条件下的微观尺度测量，并据此追踪镍酸盐样品中超导性出现与扩展的空间分布。

论文高级作者、哈佛大学物理学教授诺曼·姚（Norman Yao）表示，新方法使研究人员能够在高压环境下提出过去难以开展的问题。团队称，这一工具未来或可用于更广泛的高压材料研究。

超导体因电阻为零、可实现无能量损耗的电流传输而备受关注。与之相比，多数现有导体在输电过程中会产生能量损失；文中提到，在美国约有5%的电力在传输过程中损失，而在一些国家损失甚至可达能源产量的一半。超导材料也被认为在磁体技术、电机、磁悬浮列车、高能粒子加速器以及磁共振成像（MRI）系统等领域具有应用潜力。目前MRI设备通常使用液氦将超导线圈冷却至约零下452华氏度。

超导现象于1911年被发现，但长期受限于需要极低温度。1986年，J. Georg Bednorz与K. Alex Müller发现超导铜氧化物（铜酸盐），其工作温度显著高于此前已知材料，并在19个月后获得诺贝尔奖。此后，研究界持续寻找更多“高温”（相对不那么低温）超导体，其中镍酸盐——层状镍氧化物，被视为铜酸盐的化学“近亲”。

2023年，首个块体镍酸盐超导体被发现。该材料的临界温度高于液氮沸点（零下320华氏度），但其超导性仅在极高压力下出现，同时样品表现出令人困惑的不均匀特征，一些观点认为只有材料的一小部分真正进入超导态。

为解释这种不均匀性，姚与波士顿大学物理学副教授克里斯·劳曼（Chris Laumann）等人对传统高压工具进行了改造。20世纪上半叶，哈佛物理学家珀西·布里奇曼（Percy Bridgman）曾使用类似钳子的装置在两个锥形砧之间挤压样品，开创高压材料实验，并于1946年获得诺贝尔奖。后来研究者将砧材料替换为钻石。团队在此基础上进一步利用钻石可被制成传感器的特性：通过离子轰击并高温加热在钻石中制造“氮空位中心”（NV中心）缺陷，使其能够探测磁场与电场。

研究团队表示，他们在2019年首次将NV中心集成到金刚石砧中，从而在超过100吉帕斯卡的压力下开展新的测量；该压力水平被描述为接近地球表面下约3000公里外核的压力。

在本次实验中，金刚石砧装置大小约如酒塞，样品与装置一起安装在杆上并置入低温恒温器，最低可降至4开尔文（约零下452华氏度）。绿色光束射入钻石内部后，NV中心发出红色荧光，荧光经反射镜返回光子探测器。研究人员通过红色荧光的变化，读取镍酸盐样品周围局部磁场的微小变化，并以迈斯纳效应作为超导性的关键指标。

论文共同第一作者、肯尼斯·C·格里芬研究生院物理学博士生斯里尼瓦斯·曼迪亚姆（Srinivas Mandiyam）称，这种NV测量能够在更小尺度上观察超导性，并且相较基于电阻的传统方法更早捕捉到信号。团队表示，该技术可在百万分之一米的尺度上绘制样品图谱，并将局部超导行为与温度、压力、化学计量比以及包括正应力（压缩）和剪切应力在内的受力状态关联起来。

研究结果显示，在临界压力附近，团队首次观察到局部区域出现超导性；随着压力进一步升高，超导区域覆盖样品的范围扩大。与此同时，研究人员发现剪切应力会抑制超导性。论文指出，过去对镍酸盐不均匀性的解释多归因于化学与结构的不均匀，而新观察提示单个样品可被视为由一系列在微米尺度上表现不同的局部区域组成。

劳曼表示，新工具将帮助研究人员更深入探查已发现的多种超导材料性质，并推动对高压条件下局部测量问题的进一步研究。

本文信息源自哈佛大学《哈佛公报》授权发布内容。