Aşırı Koşullarında Yoğun Madde Elektronik ve Kimyasal Özellikler Probing için Yeni Bir Aracı: Giga Pascal Baskılara yüksek-Hassasiyet Nükleer Manyetik Rezonans
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
Geçen yüzyılın başında, yüksek hidrostatik basınç altında yoğunlaştırılmış madde Percy BRIDGMAN damgasını deneylerde bu yana, yüksek basınç fizik alanı hızla 1 gelişmiştir. Ilgi çekici fenomenlerin çok sayıda çeşitli GPa 2 basınçlar altında meydana geldiği bilinmektedir. Buna ek olarak, yüksek basınç yoğun madde sistemlerin yanıtı bize elektronik zemin ve uyarılmış hal 3,4 hakkında çok şey öğretti.
Ne yazık ki, Giga-Pascal basınçlarında Yoğun madde elektronik özelliklerinin incelenmesi için teknikler x-ray ya da yolunu 5 önde gelen DC direnç ölçümleri ile nadirdir. Özellikle, elektron spin (ESR), ve nükleer manyetik rezonans (NMR) deneyleri, elektronik ya da nükleer Manyetik anlar üzerinde bir algılama gelen sinyali almak için gereken tipik bir yüksek basınçlı örs hücrelerde uygulanması neredeyse imkânsız olacağı kesindir küçük bir volume örs ve bir sızdırmaz contası tarafından konulan.
Çeşitli gruplar, karmaşık düzenlemeler kullanarak bu sorunu çözmek için çalıştık, örneğin, iki bölünmüş çift radyo frekans (RF) bobinler örsün 6 yanları boyunca yara, bir tek veya çift döngü saç iğnesi rezonatörünü 7,8; . 1 gibi çekirdekler γ – ya da bir RF bobin tarafından 9, Şekil 1, bir çift olarak bölünmüş renyum conta Ne yazık ki, bu yaklaşım hala büyük için deneysel uygulamalar sınırlayan düşük bir sinyal-gürültü oranı (SNR) muzdarip H 10. 15 – İlgilenen okuyucu diğer yüksek basınçlı rezonans tank devresi deneyleri 11 ifade edilebilir. Pravica ve Silvera 16 rapor hidrojen orto-para dönüşüm incelenmiştir 12.8 GPa, NMR ile bir örs hücrede elde edilen en yüksek basınç.
NMR uygulayarak büyük bir ilgi ilekuantum katıların özelliklerini incelemek için, bizim grup da yüksek basınçlar mevcut NMR olan ilgi oldu. Nihayet, 2009 yılında bir rezonansa radyo frekansı (RF) mikro-bobin örnek 17 çevreleyen yüksek basınç boşluğuna doğrudan yerleştirilir eğer yüksek hassasiyetli örs hücre NMR gerçekten mümkün olduğunu gösterdi olabilir. Bu tür bir yaklaşımda, NMR hassasiyeti, toz numuneleri üzerinde 17 A, NMR, örneğin daha da zor bir NMR deneyleri mümkün kılan, (RF bobini faktörü doldurulmasında çoğunlukla dramatik artışa bağlı olarak), birkaç büyüklük geliştirilir 7'ye kadar 18 GPa yüksek-sıcaklık süper-iletken. Bu malzemeler içinde büyük ölçüde süper-iletkenlik basınç uygulanması ile amplifiye edilebilir ve bu süreçlere ilişkin temel fikir söz yerel elektronik sonda ile bu işlemi takip etmek mümkündür. Ne olduğunu, yüksek basınç altında NMR ve güç için bir başka örnek ortaya Believed rutin deneyler referans olması: – Basit alüminyum metal gelen yeni örs hücre NMR test etmek için, en iyi bilinen malzemelerin bir ölçülmüştür. Basınç arttıkça, tek bir serbest elektron sistemi için beklediğiniz gelen NMR kayması beklenmedik bir sapma tespit edildi. Daha yüksek basınç altında da, deney tekrarlandı, yeni sonuçlar gerçekten de güvenilir olduğunu göstermektedir. Işlem gücü düşük olduğunda Nihayet, bant yapısı hesaplamaları ile daha sonra, sonuçları yıl önce hesaplamalar tarafından tespit edilemeyen alüminyum Fermi yüzeyinin, bir topolojik geçiş tezahürü olduğu tespit edilmiştir. Ortam koşullarına bulguların ekstrapolasyonunda hemen hemen her yerde kullanılır bu metalin özellikleri bu özel elektronik durumun etkili olduğunu gösterdi.
Farklı uygulamalar bir dizi takip etmek için özel olarak tasarlanmış örs hücreleri (önceki hücreleri Cavend ithal edilmiştiNMR sonradan ish Laboratuar ve) geliştirilmiştir. Şu anda, ikinci ev yapımı taşıyıcı 800 um culet 6H-SiC örsün çifti kullanılarak 25 GPa kadar basınç ulaşma kabiliyetine sahiptir. NMR deneyleri başarıyla bugüne kadar, 10.1 GPa kadar yapılmıştır. Bu yeni hücre NMR performansı 19 çok iyi olduğu gösterilmiştir. Ana bileşen Titanyum-Alüminyum (6) -vanadyum (4) yaklaşık 800 akma mukavemeti MPa 20 sağlayan bir ekstra düşük interstisyel düzeyde (sınıf 23), ile. Sayesinde manyetik olmayan özellikleri (manyetik duyarlılık χ yaklaşık 5 ppm) o örs hücre şasi için yeterli bir malzeme olduğundan. Tanıttı hücreler (tüm ev inşa örs hücre tasarımları bir bakış için bakınız Şekil 2) genel ölçüler normal standart delik NMR mıknatıslar içine sığacak kadar küçük. Yüksekliği sadece 20 mm ve 17 mm küçük tasarım, LAC-TM1, aynı zamanda tipik bir küçük kalibreli soğuk mıknatıslar (30 mm delik çapı) uyar. LYazarlar tasarlanmış en son şasi AC TM2, (iç basınç düzgün bir kontrolü için bağlanmış mavi baskı sağlayan basınç tahrik mekanizması olarak (ki bu hücre şasi ile aynı alaşımdan yapılmış) dört adet M4 Allen havşa civatalar kullanır ek bölüm).
Tipik olarak, elmas örsler 100 GPa üzerinde en yüksek basınçlar oluşturmak için kullanılır. Xu Mao 21-23 moisanit örsler yaklaşık 60 GPa basınçlara kadar, yüksek basınçlı araştırma maliyetli bir alternatif temin olduğunu göstermiştir. Bu nedenle moisanit örsler katılan GPa NMR yaklaşım kullanılmıştır. En iyi sonuçlar Charles & Colvard bir örs bölümünden özelleştirilmiş büyük koni 6H-SiC örs ile elde edilmiştir. Bu hücreler sayesinde, 10.1 GPa kadar basınçlar için 800 um culet örsün kullanımı çok iyi NMR duyarlılık ile sonuçlandığı bulunmuştur. Karşılaştırma için, Lee ve ark. 1H NM 1 bir SNR raporTanıtılan mikro bobin yaklaşımın SNR hatta biraz daha düşük manyetik alan, kendi hacminin 1/7 için 25 değerini gösterirken musluk suyu R,.
Modern malzeme fiziği ve kimyası heyecan verici yeni bir bakış açısı söz birçok uygulama takip edebilirsiniz yüksek hassasiyetli örs hücre NMR birine bu yeni yaklaşım ile. Bir küçük culet boyutlarını talep çok daha yüksek basınçlar ilgilenen Ancak, her zaman olduğu gibi, hassasiyet ve çözünürlük sonuçta, özellikle, NMR uygulamasını sınırlamak. Sonra, bir daha küçük RF bobinleri ile hücre tasarımı optimize değil, aynı zamanda nükleer kutuplaşmayı arttırmak için yöntemler düşünmek sadece vardır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Giga-Pascal basınçlarında NMR gerçekleştirmek için, yeni ve umut verici bir yöntem tarif edilmiştir. Bu yöntem nedeniyle mükemmel hassasiyet ve çözünürlük NMR deneyleri geniş bir çeşitli kapı açılır. Bununla birlikte, protokol bölümünde açıklanan çeşitli adımlar deney sonucu için çok önemlidir. Özellikle, mikro-coil hazırlanması ve Cu-Be conta onun sabitleme çok zordur ve deneyim gerektirir. Aşağıda bununla ilgili bazı önemli ipuçları tekniğin bir birinci uygulama başarılı…
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).
