Hög ISO-kärnmagnetisk resonans hos Giga-Pascal Påfrestningar: Ett nytt verktyg för Probing Elektronisk och kemiska egenskaper Kondenserade materiens under extrema förhållanden
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
Eftersom Percy Bridgman signum experiment kondenserad materia under höga hydrostatiska tryck i början av förra seklet, har området för högtrycksfysik utvecklats snabbt 1. Ett stort antal spännande fenomen har påvisats under tryck i flera GPa 2. Dessutom har svaret av kondenserade materiens system för högtrycks lärt oss mycket om deras elektroniska mark och exciterade tillstånd 3,4.
Tyvärr, tekniker för undersökning av elektroniska egenskaperna hos kondenserad materia på Giga-Pascal trycken är sällsynta, med röntgen eller DC resistansmätningar spetsen 5. I synnerhet är detektion av elektroniska eller kärnmagnetisk stunder med elektronspinn (ESR) eller kärnmagnetisk resonans (NMR) experiment, skyldig att vara nästan omöjligt att genomföra i en typisk högtrycks städ celler där man måste hämta signalen från en liten volymolym inskriven med städ och en tätande packning.
Flera grupper har försökt lösa detta problem genom att använda komplexa arrangemang, till exempel, två split-pair radiofrekvens (RF) spolar lindade längs flankerna av städ 6, en enkel eller dubbel loop hair-pin resonator 7,8; . eller till en delad rhenium packning som RF hämtning spole 9, se figur 1 Tyvärr dessa metoder fortfarande led av en låg signal-till-brus-förhållande (SNR), vilket begränsar de experimentella applikationer till stora – γ kärnor såsom 1 H 10. Den intresserade läsaren kan hänvisas till andra högtrycksresonanstankkretsexperiment 11-15. Pravica och Silvera 16 rapport det högsta trycket uppnåtts i ett städ cell för NMR med 12,8 GPa, som studerade orto-para omvandling av väte.
Med stort intresse av att tillämpa NMRatt studera egenskaperna hos kvant fasta ämnen, vår grupp var intresserad av att ha NMR tillgängliga vid höga tryck, liksom. Slutligen, år 2009 det kan visas att högkänsliga städ cell NMR faktiskt är möjligt, om en resonans radiofrekvens (RF) mikro spole placeras direkt i högtrycks hålighet innesluter provet 17. I ett sådant tillvägagångssätt är NMR känsligheten förbättras med flera storleksordningar (främst på grund av den dramatiska ökningen av fyllnadsfaktor på RF-spole), som gjorde ännu mer utmanande NMR-experiment möjligt, t.ex. 17 O NMR på pulverprover av en hög temperatur supraledare vid upp till 7 GPa 18. Supraledning i dessa material kan avsevärt förstärkas genom tillämpning av tryck, och det är nu möjligt att följa processen med en lokal elektronisk sond som lovar grundläggande insikt i de styrande processerna. Ett annat exempel på kraften i NMR under högt tryck framkom det var believed att vara rutin referera experiment: för att testa den införda nya städet cell NMR, var en av de mest kända materialen mäts – enkel aluminiummetall. När trycket ökades, var en oväntad avvikelse av NMR-skift från vad man skulle förvänta sig för en fri-elektronsystem hittas. Upprepade experiment, även under ökat tryck, visade att de nya resultaten verkligen var tillförlitliga. Slutligen, med bandstrukturberäkningar det då visade sig att resultaten är en manifestation av en topologisk övergång av Fermi-ytan av aluminium, som inte skulle kunna detekteras genom beräkningar år sedan, när den datorkraft var låg. En extrapolering av resultaten till omgivande förhållanden visade att egenskaperna hos denna metall som används nästan överallt påverkas av denna speciella elektroniska tillstånd.
För att fullfölja ett antal olika applikationer speciellt konstruerade städceller (tidigare celler hade importerats från Cavendish Laboratory och eftermonteras för NMR) har utvecklats. För närvarande används hembyggda chassi är i stånd att nå tryck upp till 25 GPa hjälp av ett par 800 ìm culet 6H-SiC städ. NMR-experiment framgångsrikt bedrivit upp till 10,1 GPa, hittills. NMR-prestanda av denna nya celler visades vara utmärkt 19. Huvudkomponenten är titan-aluminium (6) -Vanadium (4) med en extra låg interstitiell nivå (grad 23), vilket ger en sträckgräns på ca 800 MPa 20. På grund av sin icke-magnetiska egenskaper (den magnetiska känsligheten χ är ca 5 ppm) är en lämplig material för städcell chassit. De övergripande mått de införda celler (se figur 2 för en översikt över alla hembyggda städ cell mönster) är tillräckligt små för att passa i vanliga standardhålet NMR magneter. Den minsta design, LAC-TM1, som bara är 20 mm hög och 17 mm i diameter, passar även typiska små, kallborrade magneter (30 mm håldiameter). The LAC-TM2, som är den senaste chassit författarna utformat, använder fyra M4 Allen försänkta skruvar (gjorda av samma legering som cellen chassi) som tryckdrivmekanism, som möjliggör en smidig styrning av det inre trycket (blå utskrifter bifogas i kompletterande avsnitt).
Typiskt är diamantstäd används i syfte att alstra högsta tryck av ovan 100 GPa. Xu och Mao 21-23 har visat att moissanite städ ger ett kostnadseffektivt alternativ i högtrycks forskning, upp till ett tryck av ca 60 GPa. Därför var Moissanite mothåll används för introducerade GPa NMR tillvägagångssätt. De bästa resultaten uppnåddes med kundanpassade stor-kon 6H-SiC städ från städet departementet Charles & Colvard. Med dessa celler, för tryck upp till 10,1 GPa, var användningen av 800 ìm culet städ visat sig resultera i mycket bra NMR känslighet. För jämförelse, Lee et al. Rapportera ett SNR på ett för en H NMR kranvatten, medan SNR den introducerade mikro spole strategi visade ett värde på 25 för 1/7 i volym, även vid en något lägre magnetfält.
Med denna nya metod för högkänsliga städ cell NMR kan man driva många program som lovar nya spännande inblick i fysik och kemi i moderna material. Men som alltid, känslighet och upplösning slutligen begränsa tillämpningen av NMR, i synnerhet om man är intresserad av mycket högre tryck som kräver mindre kulett storlekar. Då har man inte bara för att optimera cell design med ännu mindre RF spolar, men också tänka på metoder för att öka kärn polarisering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ett nytt och lovande metod att utföra NMR på Giga-Pascal trycket beskrevs. Denna metod öppnar dörren till en bred variation av NMR-experiment på grund av dess utmärkt känslighet och upplösning. Trots flera steg som beskrivs i protokollet avsnitt är avgörande för utgången av experimentet. Speciellt är framställningen av mikro spolen och dess fixering i Cu-Be packningen mycket svårt och kräver en viss erfarenhet. I det följande är några viktiga tips ges, vilket bör bidra till en första framgångsrik t…
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).
