عالية الحساسية النووية الرنين المغناطيسي في جيجا باسكال الضغوط: أداة جديدة لجس خصائص الالكترونية والكيميائية من المواد المكثفة تحت المتطرفة الشروط
Summary
Nuclear magnetic resonance is one of the most important spectroscopic tools. Here, the development of a new approach under high pressure, currently up to 10.1 GPa, is presented. This opens a new window into condensed matter physics and chemistry, where high-pressure research is of great importance.
Abstract
Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is one of the most important techniques for the study of condensed matter systems, their chemical structure, and their electronic properties. The application of high pressure enables one to synthesize new materials, but the response of known materials to high pressure is a very useful tool for studying their electronic structure and developing theories. For example, high-pressure synthesis might be at the origin of life; and understanding the behavior of small molecules under extreme pressure will tell us more about fundamental processes in our universe. It is no wonder that there has always been great interest in having NMR available at high pressures. Unfortunately, the desired pressures are often well into the Giga-Pascal (GPa) range and require special anvil cell devices where only very small, secluded volumes are available. This has restricted the use of NMR almost entirely in the past, and only recently, a new approach to high-sensitivity GPa NMR, which has a resonating micro-coil inside the sample chamber, was put forward. This approach enables us to achieve high sensitivity with experiments that bring the power of NMR to Giga-Pascal pressure condensed matter research. First applications, the detection of a topological electronic transition in ordinary aluminum metal and the closing of the pseudo-gap in high-temperature superconductivity, show the power of such an approach. Meanwhile, the range of achievable pressures was increased tremendously with a new generation of anvil cells (up to 10.1 GPa), that fit standard-bore NMR magnets. This approach might become a new, important tool for the investigation of many condensed matter systems, in chemistry, geochemistry, and in physics, since we can now watch structural changes with the eyes of a very versatile probe.
Introduction
منذ التجارب السمة المميزة بيرسي برجمان من المادة المكثفة تحت ضغوط الهيدروستاتيكي عالية في بداية القرن الماضي، تطورت مجال الفيزياء ارتفاع ضغط بسرعة 1. ومن المعروف أن هناك عدد كبير من الظواهر المثيرة للاهتمام أن تحدث في ظل الضغوط من عدة كيلوبار 2. وبالإضافة إلى ذلك، واستجابة النظم المادة المكثفة لارتفاع ضغط علمتنا الكثير عن ارضه الإلكترونية والحالات المثارة 3،4.
للأسف، وتقنيات للتحقيق في خصائص الإلكترونية من المادة المكثفة في الضغوط جيجا باسكال نادرة، مع الأشعة السينية أو قياسات المقاومة DC تقود الطريق 5. على وجه الخصوص، لا بد من الكشف عن لحظات الإلكترونية أو النووية المغناطيسية مع دوران الإلكترون (ESR) أو الرنين النووي المغناطيسي (NMR) التجارب، ليكون من المستحيل تقريبا لتنفيذ نموذجية في خلايا سندان الضغط العالي حيث يحتاج المرء لاسترداد إشارة من الخامس الصغيرolume المنصوص عليها من قبل وسندنات طوقا الختم.
لقد حاولت عدة مجموعات على حل هذه المشكلة باستخدام الترتيبات المعقدة، على سبيل المثال، اثنين انقسام بين زوج التردد الراديوي (RF) لفائف الجرح على طول الجناحين من سندنات 6؛ حلقة مفردة أو مزدوجة دبوس الشعر مرنان 7،8. . أو حتى طوقا انقسام الرينيوم باعتباره RF البيك اب لفائف 9، انظر الشكل 1 لسوء الحظ، هذه النهج لا يزال يعاني من انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، مما يحد من التطبيقات التجريبية إلى كبيرة – γ نوى مثل 1 H 10. القارئ المهتم قد يتم الإشارة إليها أخرى ارتفاع ضغط الرنانة التجارب الدائرة خزان 11-15. Pravica وسيلفيرا 16 تقرير أعلى ضغط المحرز في خلية السندان لNMR مع 12.8 برنامج العمل العالمي، الذي درس تحويل أورثو شبه الهيدروجين.
باهتمام كبير في تطبيق NMRلدراسة خصائص المواد الصلبة الكم، وكانت مجموعتنا المهتمة في وجود NMR متاح في الضغوط العالية، كذلك. وأخيرا، في عام 2009 أنه يمكن إثبات أن ذات حساسية عالية خلية السندان NMR ممكنة فعلا إذا وضعت صدى التردد الراديوي (RF) لفائف صغيرة مباشرة في تجويف الضغط العالي تضم العينة 17. في هذا النهج، تم تحسين حساسية NMR عدة أوامر من حجم (يرجع في معظمه إلى الزيادة الهائلة في ملء عامل من لفائف RF)، الأمر الذي جعل أكثر تحديا تجارب الرنين المغناطيسي النووي ممكنا، على سبيل المثال، 17 يا NMR على عينات من مسحوق موصل جيد للكهرباء درجة حرارة عالية تصل إلى 7 برنامج العمل العالمي 18. الموصلية الفائقة في هذه المواد يمكن تضخيمه بشكل كبير من تطبيق الضغط، وأنه من الممكن الآن لمتابعة هذه العملية مع تحقيق الإلكترونية المحلية أن وعود البصيرة الأساسية في عمليات الحاكم. برز مثال آخر للقوة NMR تحت ضغط عال عما كانت نصدقإد أن تكون التجارب المراجع الروتينية: من أجل اختبار الجديدة NMR خلية السندان قدم، وقد تم قياس واحدة من المواد الأكثر شهرة – معدن الألمنيوم بسيط. كما زاد الضغط، تم العثور على انحراف غير متوقع من التحول NMR من ما هو متوقع لنظام الإلكترون الحر. تكرار التجارب، وأيضا في ظل تزايد الضغوط، وأظهرت أن النتائج الجديدة كانت موثوقة حقا. أخيرا، مع هيكل الحسابات الفرقة تبين بعد ذلك أن النتائج هي مظهر من مظاهر التحول الطوبوغرافية لسطح فيرمي من الألومنيوم، والتي لا يمكن الكشف عنها بواسطة الحسابات قبل سنوات، عندما كانت قوة الحوسبة منخفضة. أظهر استقراء النتائج إلى الظروف المحيطة أن خصائص هذا المعدن الذي يستخدم في كل مكان تقريبا تتأثر هذه الحالة إلكترونية خاصة.
من أجل متابعة عدد من التطبيقات المختلفة تم استيرادها خلايا السندان المصممة خصيصا (خلايا السابقة من Cavendوقد تم تطوير مختبر العش وتحديثه وتعديله لNMR). حاليا، الهيكل المدمج المنزل المستخدمة هي قادرة على الوصول إلى ضغوط تصل إلى 25 جيغا باسكال باستخدام زوج من 800 ميكرون culet سندنات 6H-كربيد. وأجريت التجارب NMR بنجاح يصل إلى 10.1 برنامج العمل العالمي، حتى الآن. وقد تبين أداء NMR هذه الخلايا الجديدة لتكون ممتازة 19. المكون الرئيسي هو التيتانيوم والألومنيوم (6) -Vanadium (4) مع اضافي انخفاض مستوى الخلالي (الصف 23)، وتوفير قوة العائد من حوالي 800 ميجا باسكال 20. نظرا لخصائص غير المغناطيسية التابعة (قابلية χ المغناطيسي حوالي 5 جزء في المليون) هو مادة كافية لهيكل خلية سندان. الأبعاد الكلية للخلايا أدخلت (انظر الشكل 2 لمحة عامة عن جميع التصاميم خلية السندان المدمج المنزل) هي صغيرة بما يكفي لتناسب مغناطيس تتحمل NMR القياسية العادية. أصغر تصميم وLAC-TM1، والتي هي فقط 20 ملم في الطول و 17 مم في القطر، ويناسب أيضا صغيرة، مغناطيس الجوف البارد نموذجية (30 مم تتحمل القطر). وLيستخدم AC-TM2، الذي هو أحدث تصميم هيكل الكتاب، وأربع مسامير ثقب مشطوب M4 ألين (مصنوعة من نفس سبيكة وهيكل الخلية) كآلية ضغط القيادة، مما يسمح لعنصر تحكم سلسة من الضغط الداخلي (المطبوعات المرفقة في الزرقاء القسم التكميلي).
عادة، يتم استخدام سندنات الماس من أجل توليد أعلى من الضغوط فوق 100 برنامج العمل العالمي. وقد أظهرت أن 23 سندنات مويسانيتي توفر بديلا فعالا من حيث التكلفة في البحوث ذات الضغط العالي، تصل إلى ضغوط حوالي 60 جيغا باسكال – شو ماو و21. لذا، استخدمت سندنات مويسانيتي للنهج برنامج العمل العالمي NMR قدم. وتحققت أفضل النتائج مع تخصيص سندنات واسع مخروط 6H-كربيد من قسم سندان تشارلز وColvard. مع هذه الخلايا، لضغوط تصل إلى 10.1 برنامج العمل العالمي، تم العثور على استخدام 800 ميكرون سندنات culet أن يؤدي إلى حساسية الرنين المغناطيسي النووي جيدة جدا. للمقارنة، لي وآخرون. الإبلاغ عن SNR 1 ل1 NM HR من ماء الصنبور، في حين أن SNR النهج فائف الصغيرة أدخلت أظهرت بقيمة 25 ل1/7 من حجمها، حتى في المجال المغناطيسي إلى حد ما أقل.
مع هذا النهج الجديد لذات حساسية عالية خلية السندان NMR يمكن للمرء أن متابعة العديد من التطبيقات التي تعد رؤية جديدة مثيرة في الفيزياء والكيمياء من المواد الحديثة. ومع ذلك، كما هو الحال دائما، والحساسية، والقرار تحد في نهاية المطاف تطبيق NMR، على وجه الخصوص، إذا كان أحد يهتم في الضغوط التي تتطلب أعلى بكثير culet أحجام أصغر. ثم، يتعين على المرء ليس فقط لتحسين تصميم خلية مع لفائف أصغر RF، ولكن أيضا التفكير في طرق لزيادة الاستقطاب النووي.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد وصفت طريقة جديدة واعدة لأداء NMR في الضغوط جيجا باسكال. يفتح هذا الأسلوب حتى الباب أمام مجموعة واسعة من تجارب الرنين المغناطيسي النووي نظرا لحساسيتها ممتازة والقرار. ومع ذلك، العديد من الخطوات الموضحة في قسم البروتوكول هي الحاسمة لنتائج التجربة. خاصة، وإعداد لفائ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was funded by the International Research Training Group (IRTG) “Diffusion in porous Materials”. We acknowledge the technical support from Gert Klotzsche and stimulating discussions with Steven Reichhardt, Thomas Meissner, Damian Rybicki, Tobias Herzig, Natalya Georgieva, Jonas Kohlrautz, and Michael Jurkutat.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Titanium grade 23 | robemetall GmbH | ASTM F 136 | |
| Beryllium copper foil | GoodFellow | CU070501 | Alloy 25 (C17200) |
| Copper wire for micro-coil | Polyfil | — | quote on inquiry |
| Stycast 1266 | Sil-Mid Ldt. | S1266001KG | |
| Moissanite anvils | Charles & Colvard | — | quote on inquiry |
| Paraffin oil (pressure medium) | Sigma Aldrich | 18512-1L | |
| M4 Allen contersunk screws (Ti64) | Der Schraubenladen | DIN912 M4x20 | |
| Optiprexx PLS | Almax-easylab | — | quote on inquiry |
| Ruby spheres (~10-50 µm) | DiamondAnvils.com | P00996 | |
| Manual Toggle Press | DiamondAnvils.com | A87000 | |
| Gasket Thickness Micrometer | DiamondAnvils.com | A86000 | |
| Titanium Scalpel | Newmatic Medical | NM45200710421 | |
| Glass-writing Diamond | Plano | 54467 | |
| Smoothing Awls | Flume | 1 4444 001 | |
| Chuck-jaws (4 jaws) | Flume | 4 561 289 | |
| Lathe | Flume | 4 560 023 | |
| Drilling Machine | Flume | 4 570 020 | |
| Drill chuck | Flume | 4 570 021 | |
| XY stage | Flume | 4 570 022 | |
| Drills (0.30 to 0.50 mm) | Flume | 4 572 652 – 654 | |
| Low Temperature Varnish | SCBshop | SCBltv03 |
References
- Hemley, R. J. Percy Bridgman´s Second Century. High Pressure Research. 30 (4), 581-619 (2010).
- Grochala, W., Hoffmann, R., Feng, J., Ashcroft, N. W. The Chemical imagination at work in very tight places. Angewandte Chemie (International Edition in English). 46 (20), 3620-3642 (2007).
- Ma, Y., et al. Transparent dense sodium. Nature. 458 (7235), 182-185 (2009).
- Eremets, M. I., Troyan, I. A. Conductive dense hydrogen. Nat Mater. 10 (12), 927-931 (2011).
- Jayaraman, A. Diamond anvil cell and high-pressure physical investigations. Rev Mod Phys. 55 (1), 65-108 (1983).
- Bertani, R., Mali, M., Roos, J., Brinkmann, D. A diamond anvil cell for high-pressure NMR investigations. Rev Sci Instrum. 63 (6), 3303 (1992).
- Lee, S. -. H., Luszczynski, K., Norberg, R. E., Conradi, M. S. NMR in a diamond anvil cell. Rev Sci Instrum. 58 (3), 415 (1987).
- Lee, S. -. H., Conradi, M. S., Norberg, R. E. Improved NMR resonator for diamond anvil cells. Rev Sci Instrum. 63 (7), 3674 (1992).
- Pravica, M. G., Silvera, I. F. Nuclear magnetic resonance in a diamond anvil cell at very high pressures. Rev Sci Instrum. 69 (2), 479 (1998).
- Lee, S. -. H., Conradi, M., Norberg, R. Molecular motion in solid H2 at high pressures. Phys Rev B. 40 (18), 12492-12498 (1989).
- Vaughan, R. W. An Apparatus for Magnetic Measurements at High Pressure. Rev Sci Instrum. 42 (5), 626 (1971).
- Yarger, J. L., Nieman, R. A., Wolf, G. H., Marzke, R. F. High-Pressure 1H and 13C Nuclear Magnetic Resonance in a Diamond Anvil Cell. Journal of Magnetic Resonance Series A. 114 (2), 255-257 (1995).
- Okuchi, T. A new type of nonmagnetic diamond anvil cell for nuclear magnetic resonance spectroscopy. Physics of the Earth and Planetary Interiors. , 143-144 (2004).
- Kluthe, S., Markendorf, R., Mali, M., Roos, J., Brinkmann, D. Pressure-dependent Knight shift in Na and Cs metal. Phys Rev B. 53 (17), 11369-11375 (1996).
- Graf, D. E., Stillwell, R. L., Purcell, K. M., Tozer, S. W. Nonmetallic gasket and miniature plastic turnbuckle diamond anvil cell for pulsed magnetic field studies at cryogenic temperatures. High Pressure Research. 31 (4), 533-543 (2011).
- Pravica, M., Silvera, I. NMR Study of Ortho-Para Conversion at High Pressure in Hydrogen. Physical Review Letters. 81 (19), 4180-4183 (1998).
- Haase, J., Goh, S. K., Meissner, T., Alireza, P. L., Rybicki, D. High sensitivity nuclear magnetic resonance probe for anvil cell pressure experiments. Rev Sci Instrum. 80 (7), 73905 (2009).
- Meissner, T., et al. New Approach to High-Pressure Nuclear Magnetic Resonance with Anvil Cells. J Low Temp Phys. 159 (1-2), 284-287 (2010).
- Meier, T., Herzig, T., Haase, J. Moissanite Anvil Cell Design for Giga-Pascal Nuclear Magnetic Resonance. Rev Sci Instrum. 85 (4), 43903 (2014).
- Boyer, R. F., Collings, E. W. . Materials Properties Handbook: Titanium Alloys. , (1994).
- Xu, J. -. a., Yen, J., Wang, Y., Huang, E. Ultrahigh pressures in gem anvil cells. High Pressure Research. 15 (2), 127-134 (1996).
- Xu, J. -. a., Mao, H. -. k., Hemley, R. J., Hines, E. The moissanite anvil cell a new tool for high-pressure research. J Phys Condens Matter. 14 (44), 11543-11548 (2002).
- Xu, J. -. a., Mao, H. -. k., Hemley, R. J. The gem anvil cell high-pressure behaviour of diamond and related materials. J Phys Condens Matter. 14 (44), 11549-11552 (2002).
- Meissner, T., et al. Nuclear magnetic resonance at up to 10.1 GPa pressure detects an electronic topological transition in aluminum metal. J Phys Condens Matter. 26 (1), 15501 (2014).
- Meissner, T., Goh, S. K., Haase, J., Williams, G. r. a. n. t. . V. M., Littlewood, P. B. High-pressure spin shifts in the pseudogap regime of superconducting YBa2Cu4O8 as revealed by 17O NMR. Phys Rev B. 83 (22), (2011).
- Goh, S. K., et al. High pressure de Haas–van Alphen studies of Sr2RuO4 using an anvil cell. Current Applied Physics. 8 (3-4), 304-307 (2008).
- Tateiwa, N., Haga, Y. Evaluations of pressure-transmitting media for cryogenic experiments with diamond anvil cell. Rev Sci Instrum. 80 (12), 123901 (2009).
- Hahn, E. Spin Echoes. Phys Rev. 80 (4), 580-594 (1950).
- Boehler, R., Ross, M., Boercker, D. Melting of LiF and NaCl to 1 Mbar Systematics of Ionic Solids at Extreme Conditions. Physical Review Letters. 78 (24), 4589-4592 (1997).
- Funamori, N., Sato, T. A cubic boron nitride gasket for diamond-anvil experiments. Rev Sci Instr. 79 (5), 053903 (2008).
- Forman, R. A., Piermarini, G. J., Barnett, J. D., Block, S. Pressure measurement made by the utilization of ruby sharp-line luminscence. Science. 176 (4032), 284-285 (1972).
