High-Sensitivity Nuclear Magnetic Resonance bei Giga-Pascal Drücke: ein neues Instrument zur Sondierung elektronischen und chemischen Eigenschaften von kondensierter Materie unter extremen Bedingungen

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

Da Percy Bridgman Markenzeichen Experimente der kondensierten Materie unter hohen hydrostatischen Drücke am Anfang des letzten Jahrhunderts hat sich das Feld der Hochdruckphysik schnell ¹ entwickelt. Eine große Anzahl von interessanten Phänomene sind bekannt, unter Drücken von einigen GPa ² auftreten. Darüber hinaus hat die Reaktion der Systeme kondensierter Materie mit Hochdruck uns viel über ihre elektronischen Grundzustand und angeregten Zuständen ^3,4 unterrichtet.

Leider sind Techniken für die Untersuchung der elektronischen Eigenschaften von kondensierter Materie bei Giga-Pascal Druck selten, mit x-ray-oder DC-Widerstandsmessungen den Weg ^5. Insbesondere wird die Erfassung der elektronischen oder magnetischen Kernmomente mit Elektronenspin (ESR) oder Kernspinresonanz (NMR)-Experimente, gebunden zu sein, fast unmöglich, in einem typischen Hochdruck-Amboss-Zellen, wo man das Signal abrufen muss umsetzen ein kleines volume durch Ambosse und einer Dichtung verankert.

Mehrere Gruppen haben versucht, dieses Problem durch die Verwendung komplexer Arrangements, lösen zB zwei Split-Pair-Radiofrequenz (RF)-Spulen entlang der Flanken der Ambosse ⁶ aufgewickelt, ein Einzel-oder Doppelschleife Haarnadel-Resonator ^7,8; . oder sogar eine Spaltung Rhenium Dichtung als HF-Pick-up-Spule ^9, siehe Abbildung 1 Leider sind diese Ansätze noch von einem niedrigen Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) gelitten, die Begrenzung der experimentelle Anwendungen zu großen – γ Kerne wie ¹ H ^{10. 15 –} Der interessierte Leser kann auf andere Hochdruck-Schwingkreis ¹¹ Experimente bezeichnet werden. Pravica und Silvera ¹⁶ Bericht der höchste Druck in einer Druckzelle für die NMR mit 12,8 GPa, der die ortho-para-Umwandlung von Wasserstoff untersucht erreicht.

Mit großem Interesse bei der Anwendung NMR, um die Eigenschaften der Quantenfestkörper zu untersuchen, war unsere Gruppe interessiert, NMR erhältlich bei hohen Drücken, wie gut. Schließlich im Jahr 2009 konnte gezeigt werden, dass mit hoher Empfindlichkeit Tempelzelle NMR ist in der Tat möglich, wenn eine Resonanz Radiofrequenz (RF)-Mikrospule direkt in der Hochdruckkammer ¹⁷ umschließt die Probe gestellt. Bei einem solchen Ansatz wird die NMR-Empfindlichkeit um mehrere Größenordnungen (hauptsächlich wegen der dramatischen Zunahme Füllfaktor der HF-Spule), die noch schwieriger NMR-Experimente möglich, zB an Pulverproben eine verbesserte, ¹⁷ O-NMR Hochtemperatur-Supraleiter mit bis zu 7 GPa ^18. Supraleitung in diesen Materialien kann durch die Anwendung von Druck verstärkt werden, und es ist nun möglich, diesen Prozess mit einer lokalen elektronischen Sonde, die grundlegenden Einblick in die Steuerungsprozesse verspricht folgen. Ein weiteres Beispiel für die Macht der NMR unter hohem Druck entstanden, was waren Believed Routine Referenzierung Experimente: Um die eingeführte neue Tempelzelle NMR zu testen, eine der besten bekannten Materialien wurde gemessen – einfache Aluminium-Metall. Als der Druck erhöht wurde, war eine unerwartete Abweichung der NMR-Verschiebung von dem, was man für einen Freie-Elektronen-System erwarten gefunden. Unter erhöhtem Druck wiederholte Versuche, auch zeigte, dass die neuen Ergebnisse waren in der Tat zuverlässig. Schließlich mit Bandstruktur Berechnungen wurde dann festgestellt, dass die Ergebnisse der Manifestation einer topologischen Übergang des Fermi-Oberfläche von Aluminium, die vor Jahren nicht durch Berechnungen nachgewiesen werden, wenn die Rechenleistung niedrig war. Extrapolation der Ergebnisse an die Umgebungsbedingungen zeigten, dass die Eigenschaften dieses Metalls, die fast überall verwendet wird, werden von dieser speziellen elektronischen Zustand beeinflusst.

Um eine Reihe von verschiedenen Anwendungen zu verfolgen hatte speziell Tempelzellen (Zellen, die aus dem vorherigen Cavend importiertish Labor und für die NMR nachgerüstet) entwickelt worden. Derzeit sind die verwendeten selbst gebaute Chassis der Lage zu erreichen Drücke bis 25 GPa mit einem Paar 800 um culet 6H-SiC Ambosse. NMR-Experimente wurden erfolgreich auf 10,1 GPa, so weit durchgeführt. Die NMR-Leistung dieses neuen Zellen wurde gezeigt, gut ¹⁹ ​​sein. Die Hauptkomponente ist Titan-Aluminium-(6) -Vanadium (4) mit einem extra niedrigen interstitiellen Stufe (Klasse 23), wodurch eine Streckgrenze von 800 MPa über ^20. Aufgrund seiner nicht-magnetischen Eigenschaften (die magnetische Suszeptibilität χ etwa 5 ppm) es eine ausreichende Material für die Druckzelle Chassis ist. Die Abmessungen der eingesetzten Zellen (siehe Abbildung 2 für einen Überblick über alle selbst gebaute Tempelzelle Designs) sind klein genug, um in reguläre Standardbohrung NMR Magneten passen. Die kleinste Design, die LAC-TM1, die nur 20 mm in der Höhe und 17 mm im Durchmesser ist, passt typischen kleinen Kalt Bohrung Magneten (30 mm Bohrungsdurchmesser). Die LAC-TM2, die neuesten Chassis die Autoren konzipiert ist, arbeitet mit vier M4 Allen Senker Schrauben als Druckantriebsmechanismus (aus der gleichen Legierung wie die Zelle Chassis gemacht), so dass für eine reibungslose Steuerung der Innendruck (Blaupausen in der beigefügten Zusatz Abschnitt).

Typischerweise werden Diamant Ambosse verwendet, um höchsten Drücke von über 100 GPa zu erzeugen. Xu und Mao ^{21. – 23.} haben gezeigt, dass moissanite Ambosse eine kostengünstige Alternative in Hochdruck-Forschung, bis zu Drücken von etwa 60 GPa. Daher wurden für die Ambosse moissanite eingeführt GPa NMR-Ansatz verwendet. Die besten Ergebnisse wurden mit maßgeschneiderten großen Kegel 6H-SiC Ambosse vom Amboss-Abteilung von Charles & Colvard erreicht. Mit diesen Zellen, für Drücke bis 10,1 GPa, die Verwendung von 800 um culet Ambossen wurde gefunden, in sehr guten NMR Empfindlichkeit führen. Zum Vergleich, Lee et al. Berichten über einen SNR von 1 ¹ H NMR Leitungswasser, während das SNR des eingeführten Mikrospule Ansatz zeigte einen Wert von 25 für 1/7 ihres Volumens, selbst bei einer etwas niedrigeren Magnetfeld.

Mit diesem neuen Ansatz zur hochempfindlichen Tempelzelle NMR kann man viele Anwendungen, die spannende neue Einblicke in die Physik und Chemie der modernen Materialien versprechen zu verfolgen. Aber wie immer, Empfindlichkeit und Auflösung letztlich begrenzen die Anwendung der NMR, insbesondere dann, wenn man sich für viel höhere Drücke, die kleiner culet Größen fordern ist. Dann hat man nicht nur die Zellenkonstruktion mit noch kleineren HF-Spulen zu optimieren, sondern auch darüber nachdenken, Verfahren zur Erhöhung der Kernpolarisation.

Protocol

1. Montage und Ausrichtung der 6H-SiC großen Kegel Böhler-Typ Ambosse Befestigen Sie den Kolben und xy Platte in der Montagewerkzeuge und legen Sie die Böhler-Typ Ambosse in der Sitzecke. Stellen Sie sicher, jeder Amboß sitzt fest in der Trägerplatten. Mit Epoxidharz, (zB Stycast 1266), kleben Sie beide Ambosse auf ihre Plätze. Heilmittel für 12 h bei RT oder 65 ° C in einem Ofen für 2 Stunden. Für eine ausreichende Amboß-Ausrichtungs, verwenden Sie die M1 Ste…

Representative Results

Figur 3 zeigt, wie die komplett montierte Druckzelle, die Verdrahtung und die Montage auf einem typischen NMR-Sonde aussehen. Im Folgenden werden verschiedene Experimente überprüft werden, welche der Leser sollte einen breiten Überblick über die Vorteile und Grenzen der Technik eingeführt sammeln. Abbildung 1. Verschiedene Ansätze für Hochdruck-N…

Discussion

Eine neue und vielversprechende Methode, um NMR bei Giga-Pascal Druck durchzuführen wurde beschrieben. Diese Methode öffnet die Tür zu einer Vielzahl von NMR-Experimente durch seine hervorragende Empfindlichkeit und Auflösung. Dennoch sind mehrere in der Protokoll Abschnitt beschriebenen Schritte für den Ausgang des Experiments. Insbesondere ist die Herstellung der Mikrospule und deren Fixierung in der Cu-Be-Dichtung sehr schwierig und erfordert einige Erfahrung. Im Folgenden sind einige wichtige Tipps gegeben, was…

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