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

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

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.

Protocol

1 Montage en uitlijnen van de 6H-SiC Large Cone Boehler type aambeelden Bevestig de zuiger en xy plaat in de montage-gereedschap en plaats de Boehler type aambeelden in de zithoek. Zorg ervoor dat elke aambeeld zit stevig in de backing platen. Met behulp van epoxyhars, (bv Stycast 1266), lijm beide aambeelden om hun zetels. Cure voor 12 uur bij KT, of 65 ° C in een oven gedurende 2 uur. Voor een voldoende aambeeld uitlijning, gebruik dan de M1 set-schroeven om de steunp…

Representative Results

Figuur 3 laat zien hoe de compleet gemonteerde druk cel, de bedrading en de montage op een typische NMR sonde eruit. In het volgende zullen verschillende experimenten beoordeeld dat de lezer in staat om een ​​breed overzicht over de voordelen en beperkingen van de geïntroduceerde techniek verzamelen. Figuur 1 Verschillende benaderingen voor hoge d…

Discussion

Een nieuwe en veelbelovende methode voor NMR presteren Giga-Pascal druk beschreven. Deze werkwijze opent de deur naar een breed scala van NMR experimenten vanwege de uitstekende gevoeligheid en resolutie. Niettemin verschillende stappen in het protocol beschreven zijn belangrijk voor de uitkomst van het experiment. Vooral de bereiding van de micro-spoel en de vastlegging in de Cu-Be pakking is zeer complex en vereist ervaring. Hieronder staan ​​een aantal belangrijke tips gegeven dat een eerste succesvolle toepassin…

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