DAC上基于金刚石NV色心的原位迈斯纳效应测量方法研究

Diamond anvil cell (DAC) based high-pressure technology has gained significant achievements in superconducting property studies. However, with the continuous emergence of new type superconductors and more and more higher pressure, existing methods for high-pressure superconducting study have encountered a bottleneck. Under high pressure over 100 GPa, traditional resistance measurement and magnetic-susceptibility based Meissner effect measurement would face some technical problems which are hard to solve, such as high-pressure combination reactions between electrodes and sample, and undetectable Meissner effect resulting from tiny samples and weak diamagnetism signals. The project will use the ultrahigh sensitivity of diamond NV centers for detecting the change of single electronic spin, study the method of high-sensitivity and spatial-resolution superconducting diamagnetism measurement in DAC, and solve the problem that the superconducting states of single metallic nano clusters cannot be measured by traditional methods and the problem of non-hydrostatic effect in high-pressure superconducting studies. By measuring the function relationship between the electronic spin resonance of diamond NV center and the pressure and temperature, new method and standard for Meissner effect measurement under high pressure will be built, which will become a breakthrough for getting rid of the bound of existing technology, and improve the development of future high-pressure superconducting studies and even other aspects of high pressure science.

金刚石对顶砧（DAC）超高压技术自诞生以来，已在物质超导特性研究中获得了举世瞩目的成就。然而，随着新型超导材料的不断涌现以及研究压力越来越高，现有DAC高压超导研究方法已经来到了发展的瓶颈阶段。百万大气压以上条件下，传统的电阻测量和基于磁感应线圈的迈斯纳效应测量，将会遇到电极与样品发生高压化合反应，或因抗磁性信号太弱而无法测量迈斯纳效应等难以克服的技术问题。本项目拟利用金刚石NV色心在探测单电子自旋态变化时具有极高灵敏度的优势，开展DAC上高精度和能够空间分辨的物质超导抗磁性的测量方法研究。解决传统迈斯纳效应测量方法不能研究单个金属纳米团簇超导态以及高压超导中的非静水压效应等问题。通过测量NV色心的电子自旋共振峰随压力和温度的函数依赖关系，建立高压迈斯纳效应测量的新方法和新规范，成为摆脱现有测量技术束缚的突破口，对未来高压超导现象研究乃至整个高压物理学的其他研究产生重要的推动作用。

在百万大气压以上，传统的电阻测量和基于磁感应线圈的迈斯纳效应测量方法，会遇到电极与样品发生高压化合反应，或因抗磁性信号太弱而无法测量迈斯纳效应等难以克服的技术问题。本项目利用金刚石NV色心在探测单电子自旋态变化时具有极高灵敏度的优势，开展DAC上高精度和能够空间分辨的物质超导抗磁性的测量方法研究。具体研究内容包括：利用有限元分析方法计算DAC内的磁场分布，设计合理的微波天线布局，保证金刚石NV色心能够产生可观测的电子自旋共振吸收信号；比较不同位置的金刚石NV色心测量迈斯纳效应的差异，在DAC上建立最佳的金刚石NV色心测量迈斯纳效应的实验条件；金刚石NV色心的电子自旋共振峰随压力的变化关系，以及磁场条件下自旋共振峰劈裂宽度等。（1）通过有限元分析法，对样品发生超导现象前后DAC内磁场分布情况进行模拟，针对不同磁导率的样品、不同位置的磁场激励线圈进行了研究，最终确定了NV-色心的最佳布置位置以及最合理的线圈构型。发现对于磁性材料样品，需要将NV色心布置在样品侧壁的中间位置；对于非磁性材料样品，需要将NV色心布置在样品靠近线圈端的侧壁边缘，从而接收到最强的磁场变化信号。（2）在DAC上捕获了NV色心在微波场中的电子共振吸收峰。零磁场时吸收峰位置处于2.868GHz，与理论值完全符合；在稳衡磁场下，观测到了自旋角动量ms=1与ms=-1的两个简并能级发生退简并，并且吸收峰的劈裂宽度与磁场强度之间存在函数关系，说明NV色心可以用于DAC内迈斯纳效应的测量；此外，在采集系统中还加入了Butterworth滤波函数，进一步提高了共振吸收谱的信噪比。（3）在本征反铁磁性拓扑绝缘体EuSn2As2内发现压力诱导的超导转变。15GPa时，EuSn2As2发生空间群由R-3m到C2/m的结构相变，同时在4.3K时转变为超导态。本项目对于超高压下极微小超导样品的迈斯纳效应测量或磁性样品的极微弱磁信号测量具有重要的指导意义，为高压科学研究提供了新的技术手段。