Ad alta sensibilità la Risonanza Magnetica Nucleare a Giga-Pascal Pressioni: Un nuovo strumento per Probing proprietà elettroniche e chimiche della Materia Condensata in condizioni estreme
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
Dal momento che gli esperimenti caratteristici di Percy Bridgman della materia condensata sotto alte pressioni idrostatiche all'inizio del secolo scorso, il campo della fisica delle alte pressioni si è evoluta rapidamente 1. Un gran numero di fenomeni interessanti sono notoriamente presenti sotto le pressioni di diversi GPa 2. Inoltre, la risposta dei sistemi di materia condensata ad alta pressione ci ha insegnato molto sulla loro terra elettroniche e stati eccitati 3,4.
Purtroppo, le tecniche per lo studio delle proprietà elettroniche della materia condensata a pressioni Giga-Pascal sono rari, con x-ray o misure di resistenza CC aprendo la strada 5. In particolare, l'individuazione di momenti magnetici elettronici o nucleari con spin elettronico (ESR) o la risonanza magnetica nucleare (NMR) esperimenti, è destinata ad essere quasi impossibile da implementare in un tipico cellule incudini ad alta pressione in cui si ha la necessità di recuperare il segnale da un piccolo volume sancito da incudini e una guarnizione di tenuta.
Diversi gruppi hanno cercato di risolvere questo problema utilizzando arrangiamenti complessi, ad esempio, due split-coppia di radio frequenza (RF), bobine avvolte lungo i fianchi delle incudini 6; un loop singolo o doppio capelli pin risonatore 7,8; . o anche una guarnizione spaccata renio come un pick-up bobina RF 9, vedi Figura 1 Purtroppo, questi approcci ancora soffriva da un basso rapporto segnale-rumore (SNR), limitando le applicazioni sperimentali a grande – γ nuclei quali 1 H 10. Il lettore interessato può essere riferito ad altri esperimenti di risonanza del circuito serbatoio ad alta pressione 11 – 15. Pravica e Silvera 16 relazione alla pressione massima raggiunta in una cella incudine per NMR con 12,8 GPa, che ha studiato la conversione orto-para di idrogeno.
Con grande interesse per l'applicazione NMRper studiare le proprietà dei solidi quantistici, il nostro gruppo era interessato ad avere NMR disponibile ad alte pressioni, pure. Infine, nel 2009 si potesse dimostrare che l'alta sensibilità NMR cellule incudine è infatti possibile se una risonanza a radiofrequenza (RF) micro-coil è posto direttamente nella cavità ad alta pressione che racchiude il campione 17. In un tale approccio, la sensibilità NMR è migliorata di diversi ordini di grandezza (per lo più a causa del drammatico aumento nel fattore della bobina RF riempimento), che ha reso ancora più impegnativo esperimenti NMR possibile, ad esempio, 17 O NMR su campioni di polvere di un superconduttore ad alta temperatura fino a 7 GPa 18. La superconduttività in questi materiali può essere notevolmente amplificato mediante l'applicazione di pressione, ed è ora possibile seguire questo processo con una sonda elettronica locale che promette intuizione fondamentale nei processi che governano. Un altro esempio per l'alimentazione di NMR ad alta pressione emerso da quelli che erano Believed essere esperimenti referenziamento di routine: al fine di testare il nuovo NMR cellulare incudine introdotto, uno dei materiali più conosciuti è stata misurata – semplice metallo alluminio. Quando la pressione è stata aumentata, è stata trovata una deviazione inattesa del passaggio NMR da quello che ci si aspetterebbe per un sistema di elettroni liberi. Esperimenti ripetuti, anche sotto crescenti pressioni, hanno mostrato che i nuovi risultati sono stati davvero affidabile. Infine, con calcoli di struttura banda si è poi scoperto che i risultati sono la manifestazione di una transizione topologica della superficie di Fermi di alluminio, che non poteva essere rilevato da calcoli di anni fa, quando la potenza di calcolo è stata bassa. L'estrapolazione dei risultati alle condizioni ambientali è emerso che le proprietà di questo metallo che viene utilizzato quasi ovunque sono influenzati da questa condizione elettronica speciale.
Al fine di perseguire una serie di applicazioni diverse cellule incudini appositamente progettati (celle precedenti erano stati importati dalla Cavendish Laboratorio e adattati per NMR) sono stati sviluppati. Attualmente, il telaio in casa costruita utilizzati sono in grado di raggiungere pressioni fino a 25 GPa utilizzando una coppia di 800 micron culet 6H-SiC incudini. Esperimenti NMR sono stati condotti con successo fino a 10.1 GPa, finora. Le prestazioni NMR di questo nuove cellule ha dimostrato di essere eccellente 19. Il componente principale è in titanio-alluminio (6) -Vanadium (4) con un basso livello interstiziale supplementare (grado 23), fornendo un carico di snervamento di 800 MPa 20. Grazie alle sue proprietà non magnetiche (suscettività magnetica χ è di circa 5 ppm) è un materiale adeguato per il telaio delle cellule incudine. Le dimensioni di ingombro delle celle introdotte (vedi Figura 2 per una panoramica di tutti i modelli di cella incudine in casa costruita) sono abbastanza piccolo da entrare in normali magneti standard, foro NMR. Il design più piccolo, la LAC-TM1, che dista solo 20 mm di altezza e 17 mm di diametro, adatta anche piccoli magneti a freddo calibro tipici (30 mm Diametro del foro). La LAC-TM2, che è l'ultimo telaio autori progettati, utilizza quattro bulloni svasati M4 a brugola (realizzate dalla stessa lega come il telaio cella) come meccanismo di guida di pressione, consentendo un controllo regolare della pressione interna (stampe blu allegati nei sezione supplementare).
Tipicamente, incudini di diamante sono utilizzati al fine di generare alti pressioni superiori a 100 GPa. Xu Mao e 21 – 23 hanno dimostrato che incudini moissanite forniscono un'alternativa conveniente nel campo della ricerca ad alta pressione, fino a pressioni di circa 60 GPa. Pertanto, incudini moissanite sono stati utilizzati per l'approccio GPa NMR introdotto. I migliori risultati sono stati ottenuti con la misura incudini grande cono-6H-SiC del dipartimento incudine di Charles & Colvard. Con tali cellule, per pressioni fino a 10.1 GPa, l'uso di 800 micron incudini culet è stato trovato per causare molto buona sensibilità NMR. Per confronto, Lee et al. Segnalare un SNR di 1 per 1 H NMR di acqua di rubinetto, mentre il SNR dell'approccio micro-bobina introdotto ha mostrato un valore del 25 per 1/7 del loro volume, anche in un campo magnetico leggermente inferiore.
Con questo nuovo approccio alla alta sensibilità delle cellule incudine NMR si può perseguire molte applicazioni che promettono nuova entusiasmante visione della fisica e della chimica dei materiali moderni. Tuttavia, come sempre, sensibilità e risoluzione definitiva limitano l'applicazione di NMR, in particolare, se si è interessati a pressioni molto elevate che richiedono dimensioni culet piccole. Poi, si deve non solo per ottimizzare la progettazione cella con bobine RF ancora più piccoli, ma anche pensare a metodi per la crescente polarizzazione nucleare.
Protocol
Representative Results
Discussion
Un metodo nuovo e promettente per eseguire NMR a pressioni Giga-Pascal è stato descritto. Questo metodo apre la porta a una vasta gamma di esperimenti NMR grazie alla sua eccellente sensibilità e risoluzione. Tuttavia, alcuni passaggi descritti nella sezione del protocollo sono cruciali per l'esito dell'esperimento. In particolare, la preparazione del micro-bobina e la sua fissazione nella guarnizione Cu-Be è molto difficile e richiede una certa esperienza. Di seguito, alcuni consigli importanti sono dati, ch…
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
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