一、实验前准备

在开始实验之前，学生需要仔细阅读和理解实验手册，了解极端压强下铈氢导体的超导效应的实验过程。手册中包含了实验目的、原理、步骤、安全注意事项等必要的信息。通过自主学习，学生能够对该实验有一个全面的了解，为后续的实验操作做好准备。

二、实验引导视频

为了使学生更好地理解实验操作流程和注意事项，本实验提供了引导视频。视频中详细介绍了实验设备的操作方法、安全规程、以及实验中的重点和难点。通过观看视频，学生可以更加清晰地了解实验的具体操作方法，避免在实验过程中出现错误。

三、实验过程

图5. 实验教学过程示意图

在实验过程中，学生将使用互动式操作在虚拟仿真平台上进行自主实验。虚拟仿真平台可以模拟真实的实验环境，使学生能够在安全的环境下进行实验操作。在该平台上，学生将掌握金刚石压砧技术的原理，并进行原位高压拉曼光谱频移测量和极端压强下的超导电学特性测量。

四、实验方法

根据实验步骤和考察目标的不同，用到的实验方法包括：控制变量法、观察法、比较法、归纳法、逆向思维法等。

控制变量法：在研究超导现象时，需要控制温度、压力等变量，以排除其他因素的影响，从而准确地观察铈氢导体的超导效应。

观察法：通过观察样品的物理变化，例如样品的颜色变化、电阻变化等，来判断超导现象的发生。

比较法：将不同压力下的光谱数据进行比较，分析压力对超导特性的影响。同时，也可以将实验数据与理论模型进行比较，验证理论的正确性。

归纳法：通过对实验数据的分析，总结出铈氢导体在极端压强下的超导特性，并归纳出超导转变的温度范围。

逆向思维法：当实验结果与预期不符时，可以采用逆向思维法，从问题的反面去思考，以找出问题的真正原因。例如，当发现超导转变温度异常时，可以考虑是否是压力测量不准确导致的。

以上是进行极端压强下铈氢导体的超导效应实验时所采用的主要实验方法和步骤。通过这些方法和步骤的应用，学生能够更深入地理解超导现象的本质和规律。同时，也能够在实践中提高学生的动手能力、独立思考能力和解决问题的能力。

本实验通过团队成员前沿科研成果进行教学转化，开发此虚拟仿真实验系统。实验的原理主要包含金刚石压砧的工作原理、拉曼光谱原理，四探针测量原理和超导电声子耦合原理四个部分。

1.金刚石压砧的工作原理

金刚石压砧（Diamond anvil cell，DAC)是一种产生静高压力的实验工具。金刚石压砧由一对金刚石对顶砧和密封垫组成。其中两颗金刚石尖顶之间的极小垫片包裹着金刚石。当两颗金刚石相向而行时，金刚石尖顶之间的空间会被急剧压缩，进而会给样品施加百万个的大气压。空间中除了样品，还会充满了硅油等液体传压介质。

自Bridgman发明金属压砧及随后发展金刚石对顶砧以来, 压砧装置设计和加压技术得到不断发展，金刚石对顶砧加压装置广泛用于地球科学、凝聚态物理学、化学、材料等科学领域。在静高压实验中通常使用单晶金刚石为原材料加工后做成压砧,利用金刚石对顶砧装置进行加压,可产生极高的压力，金刚石压砧根据单晶金刚石的断裂韧性和硬度其压力极限从10 GPa到400 GPa不等。

图1. 金刚石压砧结构图

2. 拉曼光谱原理

2.1 荧光光谱标压

激光作用于红宝石产生的散射进行压力标定。其原理是红宝石的R1线(常压下λ0为694.3nm)在高压下将发生红移,因此可以用作金刚石压腔实验时的压力标定。红宝石压标是根据材料在高压下的物理参数之间的关系确定的。例如,目前已有达200GPa压强下 Ta、Cu、Au等物质的晶胞体积与压强的关系数据,在金刚石压腔中置入红宝石和已知物质(如Au),然后在高压下测量红宝石的 R1线的位移,以及用 X射线衍射法测量Au的晶胞参数,即可以确定红宝石Δλ与压强的关系,然后进行数学拟合而获得压力计算公式。红宝石压力标定公式为：

        (1)

通过测量R1线对应的波长λ，我们可以推算出当前压腔内部的压强。

2.2 拉曼光谱标压

除了荧光光谱法以外，人们根据金刚石、碳化硅和白宝石等压砧砧面的拉曼频移和压强的对应关系，发展了一系列采用拉曼光谱确定压强的方法。在压腔中引入不同的光谱学研究方法，不仅可以原位观测地球内部的流体与岩石等的物理性质，还能记录晶体的合成与生长及物质水热反应过程等，具有重要的物理化学意义。

当光线照射到分子并且和分子中的电子云及分子键产生相互作用，就会发生拉曼效应。对于自发拉曼效应，光子将分子从基态激发到一个虚能量状态。当激发态的分子放出一个光子后并返回到一个不同于基态的旋转或振动状态。在基态与新状态间的能量差会使得释放光子的频率与激发光线的波长不同。

如果最终振动状态的分子比初始状态时能量高，所激发出来的光子频率则较低，以确保系统的总能量守衡。这一个频率的改变被称为斯托克斯位移。如果最终振动状态的分子比初始状态时能量低，所激发出来的光子频率则较高，这个频率的改变被称为反斯托克斯位移。拉曼散射是由于能量透过光子和分子之间的相互作用而传递，属于非弹性散射。

关于振动的配位，分子极化电势的改变或称电子云的改变量，是分子拉曼效应必定的结果。极化率的变化量将决定拉曼散射强度。该模式频率的改变是由样品的旋转和振动状态决定。

图2. 不同压强下的拉曼频移

拉曼光谱分析技术主要包括以下几种：

表面增强拉曼效应 通常以金或银的胶体或者基板上附着金或银的纳米颗粒。金或银粒子的表面等离子体共振由激光所激发，其结果产生增强金属表面的电场。拉曼信号的强度与电场成比例关系，因而增强了拉曼信号。

共振拉曼光谱 当分子或晶格的激发光源的频率与电子跃迁之频率极相接近时，其一些振动模式之强度将大幅增加，此现象称之共振拉曼效应。拉曼光谱法压力标定公式为：

       (2)

3. 四探针测量原理

范德堡法（van der Pauw）是一种常用于测量样品的电阻率和霍尔系数的四探针技术。

一般来说，电阻阻值的测量可通过测量电阻两端电压V与流经电阻的电流I来实现。不论是近距离还是远距离测量阻值，测量结果都会受到导线压降的影响而造成精确度的损失，远距离测量时由于导线造成的压降更大而造成不可忽略的影响。解决此问题的一个方案就是四端点测量技术。电压表由单独导线引至电流表附近。由于流经此单独导线的电流值与流经被测电阻的电流值相比，小到近似可以忽略（电压表内阻极大），因此支路导线未造成足够影响测量结果的压降，此时所测电压与电流表所测电流之比可近似认为是被测电阻阻值。

图3. 范德堡法连线示意图

4. 超导电声子耦合原理

BCS理论是解释常规超导体的超导电性的微观理论。某些材料在极低的温度下，其电阻会完全消失，电流可以在其间无损耗的流动，这种现象称为超导。超导现象于1911年发现，但直到1957年，巴丁、库珀和施里弗提出BCS理论，其微观机理才得到解释。BCS理论把超导现象看作一种宏观量子效应，自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。

图4. 超导转变和库珀对原理图

电子间的直接相互作用是相互排斥的库伦力。如果仅仅存在库伦力直接作用的话，电子不能形成配对，但电子间还存在以晶格振动（声子）为媒介的间接相互作用：电声子相互作用。电子间的这种相互作用在满足一定条件时，可以是相互吸引的，正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能高于晶格原子振动的能量，电子对不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成“超导”。BCS理论相关公式如下：

实验中，我们使用Allen-Dynes修正后的McMillan方程：

                (3)

式中μ^*为有效库仑相互作用势，一般取为0.1-0.13。f1和f2有如下定义：

(4)

(5)

简化后的公式：

    (6)

其中：

   (7)

由BCS理论可知，我们由电声子耦合强度参数λ和声子对数频率ω_log，利用McMillan方程计算得到超导转变温度T_c。

知识点：共 18 个

1. 压强与压力以及受力面积的关系；

2. 极端压强产生的机制；

3. 原子受激辐射原理；

4. 光的反射和折射定律；

5. 分子振动能级的概念；

6. 拉曼散射原理；

7. 压强与拉曼频移的关系；

8. 四端引线测量电阻原理；

9. 热传导规律；

10. 欧姆定律；

11. 库珀对导电机制；

12. 完全抗磁性；

13. 温度的物理意义；

14. 相变的概念；

15. 电声子耦合的概念；

16. 超导转变温度的变化规律；

17. 最佳超导相变的条件；

18. 数据拟合与误差理论。

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

（1）场景的仿真：在基于真实实验的3D仿真模型中，学生可在实验准备预习阶段完成认知实习，包括实验场景、实验对象、实验设备等，掌握所有设备的布置情况，与实际实验时完全一致。

（2）基于真实设计资料及测试数据的数值仿真：包括实验对象、测试仪器在内的3D仿真模型均参考实际设计资料，实验中给出的测试曲线也是基于实测数据资料。

（3）面向实际方案设计及组织实施流程的仿真：根据实际实验的流程进行虚拟仿真。通过互动操作，完成对整个实施流程的认知，完整掌握高压下BCS高温超导体的零电阻效应测量内容、组织实施流程、测得参数，掌握实验流程、安全控制措施及数据采集过程，能够真实再现实验的全过程。

  一、实验的必要性与实用性

高压物理和超导研究是现代物理学的两大基石，它们在理论和实践上都有着广泛的应用。随着科技的发展，对于高压物理和超导现象的理解和控制，已经成为现代科技发展的重要驱动力。超导量子芯片是下一代量子计算机的关键部件，具有巨大的商业价值和战略意义。然而，目前超导量子芯片的技术仍受限于低温环境，且国内在此领域的发展还存在一些“卡脖子”的问题，亟待解决。研究新型氢基超导铈氢材料显得尤为重要。铈氢是一种金属氢化物，有望实现在室温下的超导。通过研究铈氢超导材料的制备和性质，为我国在量子信息材料和超导技术领域的研究提供新的方向和思路，解决国家在此领域的重大需求，推动科技发展。

然而，高压物理和超导实验往往需要昂贵的设备和复杂的技术，而且实验过程不可逆，成本高昂，这对于许多高校来说是一项巨大的挑战。此外，这些实验往往需要在极低温度和极高压力等极端环境下进行，这些环境不仅危险而且难以模拟，因此，传统的教学方式难以有效地传递这些知识。

二、教学设计的合理性

本虚拟仿真实验项目通过使用先进的虚拟现实和仿真技术，可以在计算机上模拟高压物理和超导实验，避免了实验过程中可能出现的危险和高成本等问题。同时，通过模拟真实的实验环境和设备，学生可以更好地理解高压物理和超导现象的本质，提高他们的实践能力和创新思维。

此外，本虚拟仿真实验项目还设计了全面的评价体系，通过客观的评价指标和精细化的赋分模型，可以对学生的实验操作进行全面和准确的评价，帮助他们更好地理解和掌握相关知识点。

三、实验系统的先进性

本虚拟仿真实验系统采用了先进的虚拟现实和仿真技术，可以高度真实地模拟实验环境和设备，同时支持多人在线共享操作，具有良好的操作引导性、人机交互性和端口扩展性。此外，系统还集成了动态数据库和实时网络通讯等技术，可以实现数据的实时反馈和共享，提高了实验的效率和准确性。

总的来说，本虚拟仿真实验项目不仅具有高度的必要性和实用性，而且在教学设计上合理且先进，可以有效地提高物理专业学生的实践能力和创新思维，有助于推动我国高压物理和超导研究教学的开展。

（一）思想与素质教育目标

1. 培养学生的探索精神和对高压超导现象的浓厚兴趣，鼓励学生勇于挑战科学难题，不畏艰难，追求真理。

2. 培养学生以严谨的科学态度，进行实验设计和数据分析，对高压超导现象进行深入研究和探索。

3. 培养学生具备独立思考和解决问题的能力，能够灵活运用物理原理和方法，进行高压超导现象的研究和探索。

（二）知识教学目标

1. 掌握高压超导实验的设计原理和方法，了解各种高压超导实验设备的工作原理和操作方法。

2. 掌握高压超导现象的物理机制和相关理论，理解超导体的基本性质和超导转变的物理过程。

3. 掌握高压超导实验数据的分析和处理方法，能够准确地提取实验参数并进行分析和解释。

（三）能力教学目标

1. 培养学生具备独立进行高压超导实验的能力，包括实验设计、操作、数据采集和处理等环节。

2. 培养学生运用科学方法和误差理论进行数据分析的能力，能够准确地评估实验结果的可靠性和精度。

3. 培养学生具备综合应用知识和解决问题的能力，能够将所学知识应用到实际研究和实际问题中。

该虚拟仿真实验将考核评价融入实验教学过程中，学生通过实验步骤环节的操作分步得分，最后形成实验报告和评价分数。

学生交互性操作步骤，共 15 步。