1911 年，海克·卡默林·昂内斯 (Heike Kamerlingh Onnes)发现了第一种超导体——金属汞，当冷却到临界温度 4.2 开尔文时，它就会无阻力地导电。从那时起，材料科学家一直在寻求更好地理解这一现象，以及是否有其他元素和材料具有更高的临界温度，使它们可用于实际的电力传输，而他们最希望达到的目标是环境温度。

新技术测量极高压力下的超导性

许多化学元素在低于某一临界温度的高压下会变成超导。但由于高压本身的性质，细节很难测量。

但现在，来自德国和美国的科学家团队已经开发出一种测量超导硫的技术，为高压下新型超导体的机制提供了见解。这项研究发表在《物理评论快报》上。其他材料有待研究。

当压力超过 900 亿帕斯卡(1 千兆帕斯卡，几乎是地球表面大气压的 100 万倍)时，硫元素会从非金属转变为金属。然后，在低温下，它就会变成超导。在目前的研究中，施加了 160 GPa 的压力，在 17 开尔文时，硫的电子会配对成所谓的库珀对，并且超导状态会在此温度以下持续存在。

为了获得约 3 GPa 的压力，科学家使用了活塞或布里奇曼砧压力传感器。压力传感器是将压力转换为可测量的电信号的传感器。它们能够在很宽的压力范围内均匀地对样品施加压力。

然后用装入压力单元的平面隧道结来研究样品，压力单元是一种依靠量子力学隧穿的电子设备，其中施加的电压允许电子穿过两个导体之间的绝缘屏障。

为了获得更高的压力，研究团队使用了金刚石压砧;一对相对的金刚石尖端，中间放置一个样品。金刚石压砧可以对小于一毫米的样品施加高达 200 GPa 的压力。

然后，通过隧道光谱法测量样品的形状(实际上是原子上电子的能级)。然而，极端压力会影响平面隧道结中隧道势垒的性质和完整性，并且设备会遭受漏电流和势能势垒尺寸减小的影响。它也很难应用于微米级样品。

为了解决这些缺陷，研究团队开发了一种在金刚石压砧原位(即在金刚石压砧所在位置)制造平面隧道结的方法。这允许进行高于 1 兆巴(100 GPa)的测量。

平面隧道结的隧道间隙由绝缘材料五氧化二钽制成，置于两个导体(超导硫和钽)之间，每个维度的宽度约为 50 微米。五氧化二钽具有高密度和稳定性，可确保隧道间隙的宽度在高压下不会发生变化。

德国美因茨马克斯·普朗克化学研究所的冯杜表示：“压力使一些材料表现出在大气条件下不存在的奇异性质，例如氢化物在接近室温下的超导性。我们在本文中试图开发一种在加压环境中观察超导性的‘显微镜’。”

他们的目标是测量超导硫的超导间隙，也称为解理能，迄今为止在高压下很难测量。该间隙是库珀对能量密度中费米能级附近的能隙，费米能级是绝对零度时最高占据电子能量，其大小和对称性与材料中超导机制的性质密切相关。

直接在金刚石砧尖上原位制造平面隧道结，使得隧道光谱测量能够扩展到 100 GPa 范围以外的压力。

隧道光谱使用扫描隧道显微镜来仔细观察电子态的局部密度，并通过测量设备扫描样品时尖端之间的电流来测量原子尺度上表面的带隙。

利用该装置，研究小组测量并确认了硫的临界温度为17 K，随后降低到3 K左右，并确定硫为II型超导体。

该团队现在想将他们的设备应用于其他材料。“这台显微镜可以帮助我们发现高压下高温超导体的‘基因’ ，”杜说，“这可能有助于我们在未来设计大气条件下的室温超导体。”

他们希望研究更多不太了解的特殊材料，例如氢化物和镍酸盐。