極限条件下で凝縮系の電子·化学的性質を探るための新しいツール：ギガパスカルの圧力で高感度核磁気共鳴
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
前世紀の初めに、高い静水圧下での凝縮物質のパーシー·ブリッジマンの特徴で実験するので、高圧物理学の分野は急速に進化してきました1。興味深い現象が多数、数GPaの2の圧力下で発生することが知られている。また、高圧力に凝縮された物質系の応答は、私達に彼らの電子基底状態と励起状態3,4について多くのことを教えてくれました。
残念ながら、ギガパスカルの圧力で凝縮物質の電子特性の調査のための技術は、X線や道5をリードして直流抵抗測定値と、まれである。具体的には、電子スピン（ESR）または核磁気共鳴（NMR）実験を有する電子または核磁気モーメントの検出は、一つからの信号を取得する必要がある典型的な高圧アンビル細胞で実装することはほとんど不可能であることがバインドされている小さなV吐出量アンビルとシールガスケットによって安置。
いくつかのグループは、複雑な構成を使用することによって、この問題を解決するために、アンビル6の側面に沿って巻か例えば、2つのスプリットペアの無線周波数（RF）コイルを試してみました。シングルまたはダブルループヘアピン共振器7,8;あるいは分割レニウムガスケットRFピックアップコイル9として、 図1を参照残念ながら、これらのアプローチは依然として大きいと実験的なアプリケーションを制限する、低い信号対雑音比（SNR）を患っ–例えば1γ核H 10。 15 –興味のある読者は、他の高圧共振タンク回路実験11と呼ぶことができる。 PravicaとSilveraの16は、水素のオルソ-パラ変換を研究し12.8 GPaで、とのNMRについてアンビルセル内に達成された最高圧力を報告している。
NMRを適用することに大きな関心を持つ量子固体の特性を研究するために、当社グループは、同様に、高圧で入手可能なNMRを持つことに興味を持っていた。最後に、2009年にそれが共振する無線周波数（RF）、マイクロコイルは、サンプル17を囲む高圧キャビティ内に直接配置されている場合、セルNMRアンビル高感度が実際に可能であることを実証することができた。そのようなアプローチでは、NMR感度の粉末試料に17 O NMR、例えばさらに困難NMR実験を可能とし、（RFコイルの充填率に主に起因する劇的な増加）が桁違いに改善される最大7 GPaの18の高温超伝導体。これらの物質の超伝導を大幅に圧力を加えることによって増幅することができる、それが支配するプロセスへの基本的な洞察力を約束するローカル電子プローブで、このプロセスに従うことができるようになりました。高圧下でのNMRの力のための別の例はbelievが何であったかから現れた- 単純なアルミニウム金属が導入された新しいアンビルセルNMRを試験するために、最もよく知られている材料の一つは、測定したルーチン参照実験ようにするエド圧力が増加すると、一つの自由電子システムに期待するものからNMRシフトの予想外のずれが発見された。増大した圧力下でも、実験を繰り返し、新しい結果が実際に信頼できることを示した。最後に、バンド構造の計算と、それは、結果が数年前に、計算能力が低い場合、計算により検出することができなかったアルミニウムのフェルミ面の位相遷移の現れであることが判明した。周囲条件への調査結果の外挿は、ほとんどどこでも使用され、この金属の性質は、この特殊な電子状態の影響を受けていることを示した。
異なるアプリケーションの数を追求するために特別に設計されたアンビルセル（前の細胞がCavendから輸入されていたISH研究室およびNMR用に改造）が開発されている。現在、使用される自作シャーシは800ミクロンのキューレット6H-SiCのアンビルのペアを使用して25 GPaの最大圧力に到達することができる。 NMR実験は成功し、これまでに、10.1 GPaの最大行った。この新しい細胞のNMR性能は19優れていることが示された。主な成分は、約800MPaで20の降伏強さを提供する、超低格子間レベル（グレード23）でチタンアルミ（6）-Vanadium（4）である。 、その非磁気的性質（磁化率χは約5ppmである）には、アンビルセルシャーシを十分に材料である。導入された細胞（すべて自作アンビルセル設計の概要については図2を参照）の全体寸法は、通常の標準穴のNMR磁石に収まるほど小さいです。高さのみ20ミリメートル、直径17ミリメートルの最小設計、LAC-TM1も、典型的な小、コールドボア磁石（30ミリ口径）に適合します。 L著者らは、設計された最新のシャーシですAC-TM2は、内部圧力で取り付け（青写真の円滑な制御を可能に、圧力駆動機構として（セルシャーシと同じ合金で作られた）4本のM4六角皿穴付きボルトを使用しています補足を参照）。
典型的には、ダイヤモンドアンビルは100 GPaで上記の最高圧力を生成するために使用されている。徐とマオ21 – 23はモアッサナイトアンビル約60 GPaでの圧力まで、高圧研究の費用効果的な代替手段を提供することを実証した。したがって、モアッサナイトアンビル導入GPaでのNMRのアプローチのために使用した。最良の結果は、チャールズ＆Colvardのアンビル部門からカスタマイズされた、大コーン6H-SiCのアンビルで達成された。これらの細胞では、10.1 GPaで最大の圧力のために、800ミクロンのキューレットアンビルの使用は非常に良好なNMR感度が低下することが見出された。比較のために、リーらは 、1 H NMのための1のSNRを報告水道水のR、導入されたマイクロコイルアプローチのSNRであってもいくらか低い磁場で、その体積の7分の1のために25の値を示した。
高感度アンビルセルNMRに対するこの新しいアプローチでは1は、現代の物質の物理と化学にエキサイティングな新しい洞察を約束する多くのアプリケーションを追求することができます。一つは小さいキューレットサイズを要求する非常に高い圧力に関心がある場合は、いつものように、感度、解像度、最終的に、特に、NMRの適用を制限する。そして、1だけでなく、あっても小さくRFコイルとセル設計を最適化するだけでなく、核分極を増加させる方法を考える。
Protocol
Representative Results
Discussion
ギガパスカルの圧力で、NMRを実行するための新しい有望な方法が説明されました。この方法は、その優れた感度及び解像度にNMR実験の幅広い種類への扉を開く。それにもかかわらず、プロトコルの項に記載されているいくつかのステップは、実験の結果に重要である。特に、マイクロコイルの準備およびCu-必ずガスケットでの固定は非常に困難であり、ある程度の経験が必要です。以下では?…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
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