Sensibilité élevée de résonance magnétique nucléaire à Giga-Pascal pressions: Un nouvel outil pour sonder les propriétés électroniques et chimiques de la matière condensée dans des conditions extrêmes

Depuis les expériences de cachet de Percy Bridgman de la matière condensée sous des pressions hydrostatiques élevées au début du siècle dernier, le domaine de la physique à haute pression a évolué rapidement ^1. Un grand nombre de phénomènes intrigants sont connus pour être sous la pression de plusieurs GPa ^2. En outre, la réponse des systèmes de la matière condensée à haute pression nous a appris beaucoup de choses sur leur sol électronique et états excités ^3,4.

Malheureusement, les techniques de l'étude des propriétés électroniques de la matière condensée à des pressions Giga-Pascal sont rares, avec x-ray ou des mesures de résistance DC ouvrent la voie ^5. En particulier, la détection des moments magnétiques électroniques ou nucléaires de spin électronique (ESR) ou la résonance magnétique nucléaire (RMN) des expériences, est tenu d'être presque impossible à mettre en œuvre dans un cadre typiquement cellules à enclumes à haute pression où on a besoin de récupérer le signal de un petit volume consacré par enclumes et un joint d'étanchéité.

Plusieurs groupes ont tenté de résoudre ce problème en utilisant des arrangements complexes, par exemple, deux split-paire de radiofréquence (RF) bobines enroulées le long des flancs des enclumes ^6; une boucle simple ou double épingle à cheveux résonateur ^7,8; . ou même un joint fendu de rhénium comme une bobine RF pick-up ^9, voir la figure 1 Malheureusement, ces approches toujours souffert d'un faible rapport signal sur bruit (SNR), ce qui limite les applications expérimentales à grande – γ noyaux tels que ¹ H ^10. Le lecteur intéressé peut être soumis à d'autres expériences de résonance du circuit de réservoir haute pression ^{11 – 15.} Pravica et Silvera ¹⁶ rapport de la pression la plus élevée atteinte dans un cellule à enclume de RMN 12,8 GPa, qui a étudié la conversion ortho-para de l'hydrogène.

Avec un grand intérêt dans l'application de la RMNd'étudier les propriétés des solides quantiques, notre groupe était intéressé à avoir RMN disponibles à des pressions élevées, aussi bien. Enfin, en 2009, il a pu être démontré que haute sensibilité RMN de cellule à enclume est en effet possible que si une résonance radiofréquence (RF) micro-bobine est placée directement dans la cavité haute pression entourant l'échantillon ^17. Dans une telle approche, la sensibilité de la RMN est améliorée par plusieurs ordres de grandeur (la plupart du temps en raison de l'augmentation considérable de facteur de remplissage de la bobine RF), qui fait des expériences de RMN encore plus difficile possible, par exemple, ¹⁷ O RMN sur des échantillons de poudre d'un supraconducteur à haute température jusqu'à 7 GPa ^18. Supraconductivité dans ces matériaux peut être considérablement amplifiée par l'application de la pression, et il est maintenant possible de suivre ce processus avec une sonde électronique locale qui promet idée fondamentale dans les processus régissant. Un autre exemple de la puissance de la RMN sous haute pression a émergé de ce qui était la croyanted à être des expériences de référencement de routine: afin de tester le nouveau RMN de cellule à enclume en place, l'un des matériaux les plus connus a été mesurée – de l'aluminium métallique simple. Comme la pression a été augmentée, une déviation inattendue du changement RMN de ce que l'on pourrait s'attendre pour un système à électrons libres a été trouvé. Expériences répétées, y compris sous des pressions accrues, ont montré que les nouveaux résultats sont effectivement fiables. Enfin, avec les calculs de structure de bandes, il a ensuite constaté que les résultats sont la manifestation d'une transition topologique de la surface de Fermi de l'aluminium, qui ne pouvait pas être détecté par des calculs il ya des années, quand la puissance de calcul est faible. L'extrapolation des résultats à des conditions ambiantes ont montré que les propriétés de ce métal qui est utilisé presque partout sont influencés par cette condition électronique spéciale.

Afin de poursuivre un certain nombre d'applications différentes cellules enclume spécialement conçus (cellules précédentes avaient été importés de la Cavendish laboratoire et réadaptés pour RMN) ont été développés. Actuellement, le châssis de la maison construite utilisés sont capables d'atteindre des pressions allant jusqu'à 25 GPa en utilisant une paire de 800 um de culasse enclumes 6H-SiC. Expériences de RMN ont été réalisées avec succès à 10,1 GPa, à ce jour. Les performances de ce nouveau RMN cellules s'est avérée excellente ^19. Le composant principal est en titane-aluminium (6) -Vanadium (4) avec un faible niveau interstitiel supplémentaire (grade 23), fournissant une limite d'élasticité d'environ 800 MPa ^20. En raison de ses propriétés non-magnétiques (susceptibilité χ l'magnétique est d'environ 5 ppm), il s'agit d'un matériau adéquat pour le châssis de cellule enclume. Les dimensions globales des cellules introduites (voir la figure 2 pour un aperçu de tous enclume conceptions de cellules assemblés) sont suffisamment petits pour tenir dans standards réguliers aimants de RMN de l'alésage. Le design le plus petit, le LAC-TM1, qui est à seulement 20 mm de hauteur et 17 mm de diamètre, convient aussi de petits aimants froid calibre typiques (diamètre d'alésage de 30 mm). La LAC-TM2, qui est le dernier châssis les auteurs ont conçu, utilise quatre boulons à tête fraisée M4 Allen (fabriqués à partir du même alliage que le châssis de la cellule) comme mécanisme d'entraînement de pression, ce qui permet un contrôle régulier de la pression interne (bleus attachés à section supplémentaire).

Typiquement, les enclumes de diamant sont utilisés afin de générer des pressions plus élevées au-dessus de 100 GPa. Xu et Mao ^21-23 ont démontré que des enclumes moissanite offrent une alternative rentable à la recherche de haute pression, jusqu'à des pressions de l'ordre de 60 GPa. Par conséquent, enclumes moissanite ont été utilisés pour l'approche GPa RMN introduit. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec personnalisés enclumes grand cône 6H-SiC du département de l'enclume de Charles & Colvard. Avec ces cellules, pour des pressions allant jusqu'à 10,1 GPa, l'utilisation de 800 um enclumes de culasse a été trouvé pour aboutir à une très bonne sensibilité RMN. A titre de comparaison, Lee et al. Signaler un SNR de 1 pour ¹ H NMR de l'eau du robinet, tandis que le SNR de l'approche micro-bobine introduit montré une valeur de 25 pour un septième de leur volume, même à un champ magnétique un peu plus bas.

Avec cette nouvelle approche de la haute sensibilité cellule à enclume RMN, on peut poursuivre de nombreuses applications qui promettent un nouvel aperçu passionnant dans la physique et la chimie des matériaux modernes. Cependant, comme toujours, la sensibilité et la résolution limitent finalement l'application de la RMN, en particulier, si l'on s'intéresse à des pressions beaucoup plus élevées que la demande de plus petites tailles de de culasse. Ensuite, on a non seulement pour optimiser la conception de la cellule avec encore plus petites bobines RF, mais aussi réfléchir à des méthodes pour accroître la polarisation nucléaire.