Высокочувствительный ядерного магнитного резонанса в Giga-Pascal Давление: новый инструмент для исследования электронных и химических свойств конденсированных сред в экстремальных условиях
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
С знаковых экспериментов Перси Бриджмена конденсированных сред под высоким гидростатическим давлением в начале прошлого века, область физики высоких давлений быстро 1 эволюционировали. Большое количество захватывающих явлений, как известно, происходит при давлении в несколько ГПа 2. Кроме того, реакция системы конденсированных сред высокого давления научил нас много об их электронной основного и возбужденных состояний 3,4.
К сожалению, методы исследования электронных свойств конденсированных сред в Giga-Pascal давления редки, с рентген или измерения сопротивления постоянного тока ведущих путь 5. В частности, обнаружение электронных или ядерных магнитных моментов с электронного спина (ESR) или ядерного магнитного резонанса (ЯМР), обязательно будет практически невозможно реализовать в типичных наковальнях высокого давления, где необходимо получать сигнал от крошечный Volume закреплено наковален и уплотнительной прокладкой.
Несколько групп пытались решить эту проблему с помощью комплекса мероприятий, например, два сплит-пара радиочастотная (RF) катушки намотаны вместе флангах наковален 6; одинарной или двойной петли волосы-контактный резонатор 7,8; . или даже раскол рения прокладка как РФ пикап катушки 9 см рис 1 К сожалению, эти подходы еще страдал от низкого соотношения сигнал-шум (SNR), ограничивая экспериментальные приложений на большой – γ ядер, таких как 1 H 10. Заинтересованный читатель может обратиться к другим резонансных экспериментов контура высокого давления 11 – 15. Pravica и Сильвера отчет 16 наивысший достигнутый в наковальнях для ЯМР с 12,8 ГПа, изучавший орто-пара водорода давление.
С большим интересом в применении ЯМРизучить свойства квантовых твердых, наша группа была заинтересована в том, ЯМР доступны при высоких давлениях, а также. Наконец, в 2009 г. она может быть продемонстрировано, что ЯМР-наковальни клеток с высокой чувствительностью действительно возможно, если резонирует радиочастотная (РЧ) микро-катушка помещена непосредственно в полость высокого давления, окружающей образец 17. При таком подходе, чувствительность ЯМР улучшена на несколько порядков (в основном за счет резкого увеличения в фактор РФ катушки заполнения), который сделал еще более сложным ЯМР эксперименты можно, например, ЯМР 17 O на порошковых образцах высокотемпературный сверхпроводник при температуре до 7 ГПа 18. Сверхпроводимость в этих материалов может быть значительно усилен путем приложения давления, и это теперь возможно, чтобы следить за этим процессом с местным электронного зонда, который обещает фундаментальное представление о регулирующих процессы. Другой пример для власти ЯМР под высоким давлением возникли от того, что были Believред быть обычные эксперименты, ссылающийся: для того, чтобы проверить ЯМР введенный новый наковальнях, один из самых известных материалов измеряли – простой металлический алюминий. Как при увеличении давления, был найден неожиданный отклонение сдвига ЯМР от того, что можно было бы ожидать для системы свободных электронов. Повторные опыты, а также при повышенных давлениях, показали, что новые результаты были действительно надежными. Наконец, с зонных расчетов было тогда обнаружили, что результаты являются проявлением топологического перехода поверхности Ферми алюминия, который не мог быть обнаружен расчетов лет назад, когда вычислительная мощность была низкой. Экстраполяция результатов в условиях окружающей среды показал, что свойства этого металла, который используется почти повсеместно находятся под влиянием этого специального электронного состояния.
В целях достижения ряд различных приложений, специально разработанные наковальни (предыдущие клетки были импортированы из Cavendиш Лабораторные и модернизированы для ЯМР) были разработаны. В настоящее время используется самодельный шасси способны достигать давления до 25 ГПа с использованием пары калетты 6H-SiC наковальни 800 мкм. ЯМР-эксперименты были успешно проведены до 10,1 ГПа, до сих пор. Производительность ЯМР анализ данного новых клеток было показано, что отличное 19. Основным компонентом является титан-алюминий (6) -оксида (4) с дополнительным низким уровнем интерстициальной (марки 23), что обеспечивает предел текучести около 800 МПа 20. Благодаря своим немагнитных свойств (магнитная восприимчивость χ составляет около 5 частей на миллион) это подходящий материал для шасси наковальни клеток. Габаритные размеры вводимых клеток (рисунок 2 для обзора всех домашних построен конструкций наковальнях) достаточно мал, чтобы поместиться в обычные стандартные магнитов ЯМР отверстие. Наименьшее дизайн, LAC-TM1, который находится всего в 20 мм в высоту и 17 мм в диаметре, подходит также типичные маленькие, холодной калибровые магнитов (30 мм Диаметр отверстия). LAC-ТМ2, который является последним шасси авторы предназначен, использует четыре M4 Allen зенковки болты (сделанные из того же сплава, что и шасси клеток) в качестве приводного механизма давления, что позволяет для плавной регулировки внутреннего давления (синий печать прикрепленные в дополнительная секция).
Как правило, алмазные наковальни используются для того, чтобы генерировать высокие давление выше 100 ГПа. Сюй и Мао 21 – 23 показали, что муассанита наковальни обеспечить экономически выгодную альтернативу в области исследований высокого давления, вплоть до давлений около 60 ГПа. Таким образом, муассанита наковальни были использованы для введенного подход ЯМР ГПа. Наилучшие результаты были достигнуты с настраиваемыми большой конус 6H-SiC наковален из наковальне отдела Чарльз & Colvard. С тех клетках, на давление до 10,1 ГПа, использование калетты 800 мкм наковален было обнаружено, что приводит к очень хорошей чувствительности ЯМР. Для сравнения, Ли и соавт. Сообщают о ОСШ 1 в течение 1 ч NMR водопроводной воды, в то время как ОСШ введенной подход микро-катушки показал значение 25 для 1/7 от их объема, даже при несколько более низкой магнитного поля.
Благодаря этому новому подходу к высокой чувствительности наковальня клеток ЯМР, можно проводить много приложений, которые обещают захватывающий новый взгляд на физику и химию современных материалов. Однако, как всегда, чувствительность и разрешение, в конечном счете ограничить применение ЯМР, в частности, если человек заинтересован в гораздо более высоких давлениях, которые требуют меньших размеров Culet. Тогда, один имеет не только оптимизировать конструкцию клеток с еще меньшими катушками РФ, но и думать о способов повышения ядерной поляризации.
Protocol
Representative Results
Discussion
Новым и перспективным методом для выполнения ЯМР в Giga-Pascal давления было описано. Этот метод открывает дверь к широкому кругу ЯМР экспериментов благодаря отличной чувствительностью и разрешением. Тем не менее, несколько шагов, описанных в разделе протокола имеют решающее значение для ?…
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).
