High-Sensitivity Nucleaire Magnetische Resonantie bij Giga-Pascal Drukken: een nieuw instrument voor Onderzoek naar elektronische en chemische eigenschappen van de gecondenseerde materie onder extreme omstandigheden

Sinds Percy Bridgman hallmark experimenten van de gecondenseerde materie onder hoge hydrostatische druk in het begin van de vorige eeuw, heeft het gebied van hoge druk fysica snel ¹ geëvolueerd. Een groot aantal intrigerende verschijnselen er voorkomen onder druk van verscheidene GPa ^2. Daarnaast is de reactie van de gecondenseerde materie systemen aan hoge druk ons veel geleerd over hun elektronische grond en aangeslagen toestanden ^3,4.

Helaas, voor het onderzoek van de elektronische eigenschappen van gecondenseerde materie op Giga-Pascal drukken zijn zeldzaam, met een x-ray of DC weerstand metingen leidt de weg ^5. In het bijzonder wordt de detectie van elektronische of kernmagnetische momenten met elektron spin (ESR) of kernmagnetische resonantie (NMR) experimenten gebonden bijna onmogelijk om te implementeren in een typische hoge druk aambeeld cellen waarin men moet het signaal opvragen via een kleine volume vastgelegd door aambeelden en een pakking.

Verschillende groepen hebben geprobeerd om dit probleem op te lossen met behulp van complexe arrangementen, bijvoorbeeld, twee split-pair radiofrequentie (RF) spoelen gewikkeld langs de flanken van de aambeelden ^6, een enkele of dubbele lus hair-pin resonator ^7,8; . of zelfs een split rhenium pakking als RF pick-up spoel ^9, zie figuur 1 is nog, deze benaderingen nog steeds met een lage signaal-ruisverhouding (SNR), beperken de experimentele toepassingen op grote – γ kernen zoals ¹ H ^10. De geïnteresseerde lezer wordt verwezen naar andere hogedruk resonante tankcircuit experimenten ^11-15. Pravica en Silvera ¹⁶ verslag van de hoogste druk bereikt in een aambeeld cel voor NMR met 12,8 GPa, die de ortho-para omzetting van waterstof onderzocht.

Met grote interesse in het toepassen van NMRom de eigenschappen van quantum deeltjes te bestuderen, onze groep was geïnteresseerd in het hebben van NMR beschikbaar bij hoge druk, als goed. Tenslotte, in 2009 kon worden aangetoond dat hoge gevoeligheid aambeeld cel NMR inderdaad mogelijk als een resonerende radiofrequente (RF) micro-spoel direct in de hoge-druk holte omsluit het monster ¹⁷ is geplaatst. Bij een dergelijke benadering wordt de NMR gevoeligheid verbeterd door verscheidene grootteordes (vooral door de dramatische toename vulfactor van de RF spoel), die zelfs uitdagender NMR-experimenten mogelijk, bijvoorbeeld ¹⁷ O NMR op poeders van een hoge-temperatuur supergeleider met maximaal 7 GPa ^18. Supergeleiding in deze materialen kan aanzienlijk worden versterkt door de toepassing van druk, en het is nu mogelijk om dit proces te volgen met een lokale elektronische probe die fundamenteel inzicht in de belangrijkste processen belooft. Een ander voorbeeld van de kracht van NMR onder hoge druk ontstaan ​​van wat was Believed aan routine verwijzingen experimenten zijn: om de geïntroduceerde nieuwe aambeeld cel NMR te testen, een van de meest bekende materialen werd gemeten – eenvoudige aluminium metaal. Als de druk werd verhoogd, een onverwachte afwijking van de NMR verschuiving van wat men zou verwachten voor een gratis-elektron systeem werd gevonden. Herhaalde experimenten, ook onder verhoogde druk, bleek dat de nieuwe resultaten waren inderdaad betrouwbaar. Tot slot, met de band structuur berekeningen werd vervolgens gevonden dat de resultaten van de manifestatie van een topologische overgang van het Fermi oppervlak van aluminium, die niet konden worden gedetecteerd door berekeningen jaar geleden, toen de rekenkracht was laag. Extrapolatie van de bevindingen omgevingsomstandigheden gebleken dat de eigenschappen van dit metaal dat bijna overal gebruikt worden beïnvloed door dit elektronische conditie.

Om een ​​aantal verschillende toepassingen oefenen speciaal aambeeld cellen (previous cellen hadden de Cavend ingevoerdish Laboratorium en omgebouwd voor NMR) ontwikkeld. Momenteel is de gebruikte zelfgebouwde chassis kunnen bereiken drukken tot 25 GPa met een paar 800 urn culet 6H-SiC aambeelden. NMR-experimenten werden succesvol werd tot 10,1 GPa, so far. De NMR prestaties van deze nieuwe cellen bleek uitstekend ¹⁹ te zijn. De belangrijkste component titanium-aluminium (6) -Vanadium (4) met een extra lage interstitiële level (rang 23), die een vloeisterkte van ongeveer 800 MPa ^20. Door de niet-magnetische eigenschappen (de magnetische susceptibiliteit χ ongeveer 5 dpm) is voldoende materiaal voor het aambeeld cel chassis. De afmetingen van de ingebrachte cellen (zie figuur 2 voor een overzicht van alle zelfgebouwde aambeeld celontwerpen) zijn klein genoeg om te passen in reguliere standaard boring NMR magneten. De kleinste ontwerp, de LAC-TM1, dat is slechts 20 mm hoog en 17 mm in diameter, past ook typische kleine, koude-boring magneten (30 mm boring). De LAC-TM2, die uiterlijk chassis de auteurs ontworpen, gebruikt vier M4 Allen verzonken bouten (gemaakt uit dezelfde legering als de cel chassis) als druk aandrijfmechanisme, waardoor een soepele bediening van de inwendige druk (blauwe prints bevestigd aanvullende sectie).

Kenmerkend worden diamant aambeelden gebruikt om hoogste drukken van meer dan 100 GPa genereren. Xu en Mao ^21-23 hebben aangetoond dat moissanite aambeelden verschaffen een kosteneffectief alternatief in hogedruk onderzoek tot drukken van ongeveer 60 GPa. Daarom werden moissanite aambeelden voor de ingevoerde GPa NMR benadering. De beste resultaten werden behaald met op maat gemaakte groot-cone 6H-SiC aambeelden uit het aambeeld afdeling van Charles & Colvard. Met deze cellen voor drukken tot 10,1 GPa, het gebruik van 800 urn culet aambeelden bleek te resulteren in zeer goede NMR gevoeligheid. Ter vergelijking, al. Bericht Lee et een SNR van 1 ¹ H NMR leidingwater, terwijl de SNR van het ingebrachte micro-coil benadering vertoonde een waarde van 25 voor 1/7 van hun omvang, zelfs op een iets lager magnetisch veld.

Met deze nieuwe benadering van hooggevoelige aambeeld cel NMR kan men vele toepassingen die spannende nieuwe inzichten in de fysica en chemie van moderne materialen beloven na te streven. Zoals altijd, gevoeligheid en resolutie uiteindelijk beperkt de toepassing van NMR, in het bijzonder wanneer men geïnteresseerd is in veel hogere drukken dat de kleinere afmetingen culet eisen. Dan heeft men niet alleen de cel ontwerp optimaliseren nog kleinere RF spoelen, maar ook reflectie op methoden voor het verhogen nucleaire polarisatie.