$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Od czasu charakterystycznych eksperymentów Percy'ego Bridgmana z materią skondensowaną pod wysokim ciśnieniem hydrostatycznym na początku ubiegłego wieku, dziedzina fizyki wysokich ciśnień szybko się rozwinęła1. Wiadomo, że wiele intrygujących zjawisk zachodzi pod ciśnieniem kilkuGPa 2. Ponadto reakcja układów materii skondensowanej na wysokie ciśnienie nauczyła nas wiele o ich elektronowym uziemieniu i stanach wzbudzonych3,4.
Niestety, techniki badania właściwości elektronowych materii skondensowanej przy ciśnieniu giga-paskalowym są rzadkie, z pomiarami rezystancji promieniowania rentgenowskiego lub DC na czele5. W szczególności wykrywanie elektronowych lub jądrowych momentów magnetycznych za pomocą eksperymentów ze spinem elektronowym (ESR) lub magnetycznym rezonansem jądrowym (NMR) jest z pewnością prawie niemożliwe do zrealizowania w typowych wysokociśnieniowych ogniwach kowadełkowych, w których trzeba pobrać sygnał z niewielkiej objętości umieszczonej w kowadłach i uszczelce uszczelniającej.
Kilka grup próbowało rozwiązać ten problem za pomocą skomplikowanych układów, np. dwie cewki o częstotliwości radiowej (RF) nawinięte wzdłuż boków kowadeł6; rezonator7,8 z pojedynczą lub podwójną pętlą typu hair-pin; lub nawet dzielona uszczelka renu jako cewka odbiorcza RF9, patrz rysunek 1. Niestety, podejścia te nadal cierpiały z powodu niskiego stosunku sygnału do szumu (SNR), co ograniczało zastosowania eksperymentalne do jąder o dużej γ, takich jak 1H10. Zainteresowanego czytelnika można skierować do innych eksperymentów z obwodem zbiornika rezonansowego pod wysokim ciśnieniem11–15. Pravica i Silvera16 donoszą o najwyższym ciśnieniu osiągniętym w komorze kowadełkowej dla NMR z 12,8 GPa, którzy badali orto-parową konwersję wodoru.
Z dużym zainteresowaniem zastosowaniem NMR do badania właściwości ciał stałych kwantowych, nasza grupa była zainteresowana udostępnieniem NMR również przy wysokich ciśnieniach. Wreszcie w 2009 r. udało się wykazać, że NMR z ogniwami kowadełkowymi o wysokiej czułości jest rzeczywiście możliwy, jeśli rezonująca mikrocewka o częstotliwości radiowej (RF) zostanie umieszczona bezpośrednio we wnęce wysokociśnieniowej otaczającej próbkę17. W takim podejściu czułość NMR poprawia się o kilka rzędów wielkości (głównie ze względu na dramatyczny wzrost współczynnika wypełnienia cewki RF), co umożliwiło jeszcze bardziej wymagające eksperymenty NMR, np. 17O NMR na próbkach proszku nadprzewodnika wysokotemperaturowego o prędkości do 7 GPa18. Nadprzewodnictwo w tych materiałach może być znacznie wzmocnione przez zastosowanie ciśnienia, a teraz możliwe jest śledzenie tego procesu za pomocą lokalnej sondy elektronicznej, która obiecuje fundamentalny wgląd w rządzące procesy. Inny przykład na moc NMR pod wysokim ciśnieniem pojawił się w tym, co uważano za rutynowe eksperymenty referencyjne: w celu przetestowania wprowadzonego nowego NMR z kowadełkiem zmierzono jeden z najbardziej znanych materiałów – prosty metal aluminiowy. Wraz ze wzrostem ciśnienia stwierdzono nieoczekiwane odchylenie przesunięcia NMR od tego, czego można by się spodziewać po układzie z wolnymi elektronami. Wielokrotne eksperymenty, również pod zwiększoną presją, wykazały, że nowe wyniki były rzeczywiście wiarygodne. Ostatecznie, dzięki obliczeniom struktury pasmowej stwierdzono, że wyniki są przejawem przejścia topologicznego powierzchni Fermiego z aluminium, którego nie można było wykryć za pomocą obliczeń wiele lat temu, kiedy moc obliczeniowa była niska. Ekstrapolacja wyników na warunki otoczenia wykazała, że na właściwości tego metalu, który jest używany prawie wszędzie, wpływa ten szczególny stan elektronowy.
W celu realizacji wielu różnych zastosowań, specjalnie zaprojektowane komórki kowadełkowe (poprzednie komórki zostały zaimportowane z laboratorium Cavendisha i doposażone do NMR) zostały opracowane. Obecnie używane podwozia zbudowane w domu są w stanie osiągnąć ciśnienie do 25 GPa przy użyciu pary kowadeł culet 6H-SiC o średnicy 800 μm. Do tej pory z powodzeniem przeprowadzono eksperymenty NMR do 10,1 GPa. Wykazano, że wydajność NMR tych nowych komórek jest doskonała19. Głównym składnikiem jest tytan-aluminium(6)-wanad(4) o bardzo niskim poziomie śródmiąższowym (stopień 23), zapewniający granicę plastyczności około 800 MPa20. Ze względu na swoje właściwości niemagnetyczne (podatność magnetyczna χ wynosi około 5 ppm) jest odpowiednim materiałem na obudowę kowadełka. Ogólne wymiary wprowadzonych ogniw (patrz rysunek 2, aby zapoznać się ze wszystkimi domowymi konstrukcjami ogniw kowadełkowych) są wystarczająco małe, aby zmieścić się w zwykłych magnesach NMR o standardowym otworze. Najmniejsza konstrukcja, LAC-TM1, która ma tylko 20 mm wysokości i 17 mm średnicy, pasuje również do typowych małych magnesów z zimnym otworem (średnica otworu 30 mm). LAC-TM2, który jest najnowszą obudową zaprojektowaną przez autorów, wykorzystuje cztery pogłębiacza stożkowego M4 Allen (wykonane z tego samego stopu co obudowa ogniwa) jako mechanizm napędowy ciśnienia, co pozwala na płynną kontrolę ciśnienia wewnętrznego (niebieskie nadruki dołączone w sekcji dodatkowej).
Zazwyczaj, diamentowe kowadła są używane do generowania najwyższych ciśnień powyżej 100 GPa. Xu i Mao 21-23 wykazali, że kowadła moissanite stanowią opłacalną alternatywę w badaniach nad wysokim ciśnieniem, do ciśnienia około 60 GPa. W związku z tym do wprowadzonego podejścia GPa NMR użyto kowadeł moissanitu. Najlepsze wyniki osiągnięto przy użyciu niestandardowych kowadeł 6H-SiC o dużym stożku z działu kowadeł firmy Charles & Colvard. W przypadku tych ogniw, dla ciśnień do 10,1 GPa, stwierdzono, że użycie kowadeł typu culet o średnicy 800 μm skutkuje bardzo dobrą czułością NMR. Dla porównania, Lee i in. podają SNR 1 dla 1H NMR wody z kranu, podczas gdy SNR wprowadzonego podejścia mikrocewki wykazało wartość 25 dla 1/7 ich objętości, nawet przy nieco niższym polu magnetycznym.
Dzięki temu nowemu podejściu do NMR z komórkami kowadełkowymi o wysokiej czułości, można realizować wiele zastosowań, które obiecują nowe, ekscytujące spojrzenie na fizykę i chemię nowoczesnych materiałów. Jednak, jak zawsze, czułość i rozdzielczość ostatecznie ograniczają zastosowanie NMR, w szczególności, jeśli interesują nas znacznie wyższe ciśnienia, które wymagają mniejszych rozmiarów klocków. Następnie należy nie tylko zoptymalizować konstrukcję ogniwa za pomocą jeszcze mniejszych cewek RF, ale także pomyśleć o metodach zwiększania polaryzacji jądrowej.