극한의 상황에서도 응집 물질의 전자 화학적 특성을 프로빙을위한 새로운 도구 : 기가 파스칼의 압력에서 고감도 핵 자기 공명
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
지난 세기의 시작 부분에서 높은 수압 압력에서 응축 물질의 퍼시 브리지 먼의 특징 실험 이후, 고압 물리학의 분야는 급속 한 발전했다. 흥미로운 현상의 많은 여러 GPa로 (2)의 압력에 따라 발생하는 것으로 알려져있다. 또한, 고압으로 응축 물질 시스템의 응답은 우리에게 자신의 전자 지상과 흥분 상태 3,4에 대해 많은 것을 가르쳤다.
불행하게도, 기가 파스칼의 압력에서 응축 물질의 전기적 성질의 조사 기술은 X 선이나 방법 5를 선도 DC 저항 측정으로 드물다. 특히, 전자 스핀 (ESR) 또는 핵 자기 공명 (NMR) 실험으로 전자 또는 핵 자기 모멘트의 검출은 하나의 신호를 검색 할 필요 전형적인 고압 앤빌 세포에서 구현하는 것은 거의 불가능할 수밖에 작은 Volume 받침대 및 밀봉 가스켓에 안치.
몇몇 그룹이 복소 배열을 사용하여이 문제를 해결하는 시도 등이 분할 한 쌍의 무선 주파수 (RF) 코일은 받침대 (6)의 측면을 따라 감겨, 단일 또는 이중 루프 머리 핀 공진기 7,8; . 예컨대 1과 핵 γ – 또는 RF 픽업 코일 (9),도 1 참조 심지어 분할 레늄 가스켓 불행히도, 그러한 접근법은 여전히 대형까지 실험 응용을 제한, 낮은 신호 대 잡음비 (SNR)을 앓고 H 10. 15 – 관심있는 독자는 다른 고압 공진 탱크 회로 실험 11 지칭 될 수있다. Pravica 및 Silvera 16 보고서 수소의 오르토 – 파라 변환을 공부 12.8 GPa로와 NMR에 대한 앤빌 셀에 달성 된 가장 높은 압력.
NMR을 적용에 큰 관심과 함께양자 고체의 특성을 연구하기 위해, 우리 그룹뿐만 아니라, 높은 압력에서 사용할 수 NMR 데에 관심이 있었다. 마지막으로, 2009 년에이를 공명 무선 주파수 (RF) 마이크로 코일 (17)을 둘러싸는 샘플 고압 캐비티에 직접 배치되는 경우 고감도 앤빌 셀 NMR 정말로 가능하다는 것을 입증 할 수 있었다. 이러한 접근법에서, NMR 감도의 분말 샘플에 대해 17 O NMR 예 더욱 도전 NMR 실험을 가능하게, (RF 코일의 계수를 채우기에 주로 기인 극적인 증가) 수십배에 의해 향상된다 최대 7 GPa로 (18)에서 고온 초전도체. 이들 재료의 초전도 크게 압력의인가에 의해 증폭 될 수 있으며, 프로세스에 지배 근본적인 통찰력을 약속 로컬 전자 탐침이 프로세스를 수행하는 것이 가능하다. 무엇인지 고압 NMR의 힘에 대한 또 다른 예는 등장 believED 루틴 퍼런 실험으로 : – 단순 알루미늄 금속을 도입 새로운 앤빌 셀 NMR을 테스트하기 위해, 잘 알려진 물질 중 하나를 측정 하였다. 압력이 증가함에 따라, 하나는 자유 전자 시스템에 대해 무엇을 기대에서 NMR 변화의 예기치 않은 편차가 발견되었다. 증가 된 압력에 따라 또한, 실험을 반복, 새로운 결과가 참으로 신뢰할 수있는 것으로 나타났다. 컴퓨팅 파워가 낮을 때 마지막 밴드 구조 계산으로는, 결과 년전 계산에 의해 검출 될 수없는 알루미늄 페르미 표면의 위상 전이의 표현 인 것으로 밝혀졌다. 주변 조건에 대한 연구 결과의 외삽은 거의 모든 곳에서 사용이 금속의 성질이 특별한 전자 조건에 의해 영향을받는 것으로 나타났다.
서로 다른 응용 프로그램의 수를 추구하기 위해 특별히 디자인 된 앤빌 셀 (이전 셀은 Cavend에서 수입했다NMR을 위해 개조 틱 연구소와) 개발되었다. 현재 사용되는 조립식 섀시는 800 μM의 culet 6H-SiC를 앤빌의 쌍을 사용하여 25 GPa의 최대 압력에 도달 할 수있다. NMR 실험은 성공적 지금까지, 10.1 GPa로까지 수행 하였다. 이 새로운 셀 NMR 성능은 19 우수한 것으로 나타났다. 주성분은 티타늄 – 알루미늄 (6) -Vanadium (4)에 대한 (800)의 항복 강도가 20 MPa로 제공 여분 낮은 격자 간 레벨 (등급 23)와. 인해 비 자기 특성 (자기 자화율 χ 약 5 ppm의 경우)는 앤빌 셀 섀시의 적절한 소재이다. 도입 된 세포 (모든 조립식 앤빌 셀 설계의 개요를 그림 2 참조)의 전체 크기는 일반 표준 구멍 NMR 자석에 들어갈 정도로 작다. 높이 만 20mm, 직경 17mm 인 작은 디자인, LAC-TM1은 또한 전형적인 작은 냉간 구멍 자석 (30mm 구멍 직경)에 적합합니다. L저자 설계된 최신 섀시 인 AC-TM2는 (내부 압력의 매끄러운 제어에 부착 청사진을 허용 압력 구동 메커니즘 (셀 섀시와 같은 합금으로 만들어진) 사 M4 육각 카운터 싱크 볼트를 사용 보충 절).
통상적으로, 다이아몬드 앤빌 100 GPa의 전술의 최고 압력을 생성하기 위해 사용된다. 쑤 마오 21-23 moissanite의 앤빌은 약 60 GPa의 압력의 최대 고압 연구 비용 효율적인 대안을 제공하는 것을 보여 주었다. 따라서, 모이 사 나이트 모루는 도입 GPa의 NMR 방법을 사용 하였다. 가장 좋은 결과는 찰스 & Colvard의 모루 부서의 사용자 정의 대형 콘 6H-SiC를 모루 달성 하였다. 그 세포로, 10.1 GPa의 최대 압력에 대해, 800 μM의 culet 앤빌의 사용은 아주 좋은 NMR 감도가 낮아 밝혀졌다. 비교를 위해, Lee 등은 알. 1 H NM 1의 SNR을보고도입 마이크로 코일 방식의 SNR에도 약간 낮은 자기장에서의 7.2 부피에 대해 25의 값을 보였다 수돗물 R,.
현대 물질의 물리와 화학에 흥미 진진한 새로운 통찰력을 약속 많은 응용 프로그램을 추구 할 수 고감도 세포와 모루 NMR의 일에이 새로운 접근 방식. 하나는 작은 크기 culet 요구 훨씬 높은 압력 관심 경우에는 항상 같은 감도 및 해상도는 궁극적으로, 특히, NMR의 적용을 제한한다. 그런 다음, 하나는 더 작은 RF 코일과 셀 설계를 최적화뿐만 아니라, 핵 분극을 증가시키기위한 방법에 대해 생각뿐만 아니라 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
기가 파스칼 압력에서 NMR을 수행 할 수있는 새로운 유망 방법에 대하여 설명 하였다. 이 방법으로 인해 우수한 감도와 해상도로 NMR 실험의 폭 넓은 다양한 문을 엽니 다. 그럼에도 불구하고, 프로토콜 절에 설명 된 여러 단계의 실험 결과에 결정적이다. 특히, 마이크로 코일의 준비 및 구리 되실 가스켓에서의 고정이 매우 어렵고 경험이 필요합니다. 다음에, 몇 가지 중요한 팁은 기술의 최초의 성?…
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 |
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