चरम स्थितियों के तहत संघनित मामले की इलेक्ट्रॉनिक और रासायनिक गुणों की जांच के लिए एक नया उपकरण: Giga-पास्कल दबाव पर उच्च संवेदनशीलता परमाणु चुंबकीय अनुनाद
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
पिछली सदी की शुरुआत में उच्च हीड्रास्टाटिक दबाव के तहत संघनित मामले की पर्सी Bridgman की बानगी प्रयोगों के बाद से, उच्च दबाव भौतिकी के क्षेत्र में तेजी से 1 विकसित किया गया है. पेचीदा घटना की एक बड़ी संख्या में कई GPa 2 के दबाव के तहत होने के लिए जाना जाता है. इसके अलावा, उच्च दबाव को संघनित पदार्थ प्रणाली की प्रतिक्रिया हमें उनके इलेक्ट्रॉनिक जमीन और उत्साहित राज्यों 3,4 बारे में बहुत कुछ सिखाया है.
दुर्भाग्य से, Giga-पास्कल दबाव में संघनित मामले की इलेक्ट्रॉनिक गुणों की जांच के लिए तकनीक एक्सरे या जिस तरह से 5 प्रमुख डीसी प्रतिरोध माप के साथ, दुर्लभ हैं. विशेष रूप से, इलेक्ट्रॉन स्पिन (ESR) या परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर) प्रयोगों के साथ इलेक्ट्रॉनिक या परमाणु चुंबकीय क्षणों का पता लगाने के एक से संकेत पुनः प्राप्त करने की जरूरत है, जहां एक ठेठ उच्च दबाव निहाई कोशिकाओं में लागू करने के लिए लगभग असंभव हो के लिए बाध्य है एक छोटे वीolume anvils और एक सील पाल बांधने की रस्सी द्वारा निहित.
कई समूहों, जटिल व्यवस्था का उपयोग करके इस समस्या को हल करने की कोशिश की है जैसे, दो विभाजन जोड़ी रेडियो आवृत्ति (आरएफ) coils anvils 6 की flanks साथ घाव, एक या दो लूप बाल पिन गुंजयमान 7,8; . जैसे 1 नाभिक γ – या एक आरएफ पिकअप का तार 9, देखें चित्र 1 के रूप में भी एक अलग रेनीयाम गैसकेट दुर्भाग्य से, उन दृष्टिकोण अभी भी बड़े को प्रयोगात्मक अनुप्रयोगों सीमित, एक कम संकेत करने वाली शोर अनुपात (SNR) से पीड़ित एच 10. 15 – रुचि पाठक अन्य उच्च दबाव गुंजयमान टैंक सर्किट प्रयोगों 11 के लिए भेजा जा सकता है. Pravica और Silvera 16 रिपोर्ट हाइड्रोजन के ऑर्थो पैरा रूपांतरण का अध्ययन किया जो 12.8 GPA, साथ एनएमआर के लिए एक विचाराधीन सेल में हासिल की उच्चतम दबाव.
एनएमआर लागू करने में बहुत रुचि के साथक्वांटम ठोस के गुणों का अध्ययन करने के लिए, हमारे समूह के रूप में अच्छी तरह से, उच्च दबाव पर उपलब्ध एनएमआर होने में रुचि थी. अंत में, 2009 में यह एक गूंज रेडियो आवृत्ति (आरएफ) सूक्ष्म कुंडल नमूना 17 enclosing उच्च दबाव गुहा में सीधे रखा जाता है तो उच्च संवेदनशीलता निहाई सेल एनएमआर वास्तव में संभव है कि प्रदर्शन किया जा सकता है. इस तरह के एक दृष्टिकोण में, एनएमआर संवेदनशीलता एक के पाउडर के नमूने पर 17 हे एनएमआर, जैसे और भी चुनौतीपूर्ण एनएमआर प्रयोगों संभव बनाया है, जो, (आरएफ कुंडली के कारक भरने में ज्यादातर के कारण नाटकीय वृद्धि के लिए) परिमाण के कई आदेशों से सुधार हुआ है 7 GPa 18 में उच्च तापमान superconductor-. इन सामग्रियों में superconductivity काफी दबाव के आवेदन से परिलक्षित किया जा सकता है, और यह शासी प्रक्रियाओं में मौलिक अंतर्दृष्टि का वादा किया है कि एक स्थानीय इलेक्ट्रॉनिक जांच के साथ इस प्रक्रिया का पालन करने के लिए अब संभव है. क्या थे उच्च दबाव के तहत एनएमआर की शक्ति के लिए एक और उदाहरण से उभरा believएड दिनचर्या संदर्भित प्रयोगों होने के लिए: – सरल एल्यूमीनियम धातु शुरू की नई निहाई सेल एनएमआर का परीक्षण करने के क्रम में, सबसे अच्छा ज्ञात सामग्री में से एक मापा गया था. दबाव बढ़ गया था के रूप में, एक एक मुक्त इलेक्ट्रॉन प्रणाली के लिए क्या उम्मीद करेंगे से एनएमआर पारी की एक अप्रत्याशित विचलन पाया गया था. वृद्धि हुई दबाव के तहत भी, प्रयोगों दोहराया, नए परिणाम वास्तव में विश्वसनीय थे कि पता चला है. कंप्यूटिंग शक्ति कम हो गया था जब अंत में, बैंड संरचना गणना के साथ यह तो परिणाम साल पहले गणना से पता नहीं किया जा सकता जो एल्यूमीनियम के फर्मी सतह, के एक topological संक्रमण की अभिव्यक्ति कर रहे हैं कि पाया गया था. परिवेश की स्थिति को निष्कर्ष के निष्कर्षों लगभग हर जगह प्रयोग किया जाता है कि इस धातु के गुणों को इस विशेष इलेक्ट्रॉनिक हालत से प्रभावित कर रहे हैं कि पता चला है.
विभिन्न अनुप्रयोगों के एक नंबर को आगे बढ़ाने के क्रम में विशेष रूप से डिजाइन निहाई कोशिकाओं (पिछले कोशिकाओं Cavend से आयात किया गया थाएनएमआर के लिए लगाया ish प्रयोगशाला और) विकसित किया गया है. वर्तमान में, प्रयोग किया घर में निर्मित चेसिस 800 माइक्रोन culet 6H-हिज्जे anvils की एक जोड़ी का उपयोग 25 GPa अप करने के लिए दबाव तक पहुँचने में सक्षम हैं. एनएमआर प्रयोगों सफलतापूर्वक अब तक, 10.1 GPa अप करने के लिए आयोजित की गई. इस नई कोशिकाओं के एनएमआर प्रदर्शन 19 उत्कृष्ट होना दिखाया गया था. मुख्य घटक टाइटेनियम एल्यूमिनियम है (6) -Vanadium (4) के बारे में 800 की एक उपज शक्ति MPa 20 उपलब्ध कराने के एक अतिरिक्त कम बीचवाला स्तर (ग्रेड 23), के साथ. इसकी वजह से गैर चुंबकीय गुण (चुंबकीय संवेदनशीलता χ के बारे में 5 पीपीएम है) यह निहाई सेल चेसिस के लिए पर्याप्त सामग्री है. पेश कोशिकाओं (सभी घर में निर्मित निहाई सेल डिजाइन का एक सिंहावलोकन के लिए देखें चित्र 2) के समग्र आयामों नियमित मानक बोर एनएमआर मैग्नेट में फिट करने के लिए काफी छोटे हैं. ऊंचाई में केवल 20 मिमी और व्यास में 17 मिमी है, जो छोटी से छोटी डिजाइन, एलएसी-TM1,, भी ठेठ छोटे, ठंड बोर मैग्नेट (30 मिमी व्यास बोर) फिट बैठता है. एललेखकों बनाया गया नवीनतम चेसिस है जो एसी TM2,, (आंतरिक दबाव का एक चिकनी नियंत्रण के लिए में संलग्न ब्लू प्रिंट की अनुमति, दबाव ड्राइविंग तंत्र के रूप में (सेल चेसिस के रूप में ही मिश्र धातु से बाहर कर दिया) चार एम 4 एलन countersink बोल्ट का उपयोग करता है अनुपूरक खंड).
आमतौर पर, हीरा anvils 100 GPa ऊपर का भरपूर दबाव उत्पन्न करने के क्रम में उपयोग किया जाता है. जू और माओ 21 – 23 moissanite anvils के बारे में 60 GPA के दबाव के ऊपर, उच्च दबाव अनुसंधान में एक लागत प्रभावी विकल्प प्रदान कि प्रदर्शन किया है. इसलिए, moissanite anvils पेश GPa एनएमआर दृष्टिकोण के लिए इस्तेमाल किया गया. सबसे अच्छा परिणाम चार्ल्स और Colvard की निहाई विभाग से अनुकूलित बड़े शंकु 6H-हिज्जे anvils के साथ प्राप्त किया गया. उन कोशिकाओं के साथ, 10.1 GPa अप करने के लिए दबाव के लिए, 800 माइक्रोन culet anvils के उपयोग बहुत अच्छा एनएमआर संवेदनशीलता में परिणाम को पाया गया था. तुलना के लिए, ली एट अल. 1 एच एन एम के लिए 1 के एक SNR रिपोर्टपेश सूक्ष्म तार के दृष्टिकोण की SNR भी एक हद तक कम चुंबकीय क्षेत्र में, उनकी मात्रा के 1/7 के लिए 25 के एक मूल्य से पता चला है, जबकि पानी के नल के आर.
आधुनिक सामग्री के भौतिकी और रसायन विज्ञान में रोमांचक नए अंतर्दृष्टि है कि वादा कई अनुप्रयोगों का पीछा कर सकते हैं उच्च संवेदनशीलता निहाई सेल एनएमआर एक करने के लिए इस नए दृष्टिकोण के साथ. एक छोटे culet आकार कि मांग बहुत अधिक दबाव में रुचि रखता है हालांकि, अगर हमेशा की तरह, संवेदनशीलता और संकल्प अंत में, विशेष रूप से, एनएमआर के आवेदन की सीमा. फिर, एक भी छोटे आरएफ coils के साथ सेल डिजाइन का अनुकूलन, लेकिन यह भी परमाणु ध्रुवीकरण बढ़ाने के लिए तरीकों के बारे में सोचना ही नहीं है.
Protocol
Representative Results
Discussion
Giga-पास्कल दबाव में एनएमआर प्रदर्शन करने के लिए एक नए और आशाजनक विधि का वर्णन किया था. इस विधि के कारण इसकी उत्कृष्ट संवेदनशीलता और संकल्प एनएमआर प्रयोगों की एक व्यापक विविधता के लिए दरवाजा खुल जाता है. फ…
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).
