Методическая статья

Высокочувствительный ядерного магнитного резонанса в Giga-Pascal Давление: новый инструмент для исследования электронных и химических свойств конденсированных сред в экстремальных условиях

11.1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/52243

⸱

10 октября 2014 г.

 , 
1Faculty of Physics and Earth Sciences, University of Leipzig

В этой статье

Краткое содержание

Ядерный магнитный резонанс является одним из самых важных спектроскопических инструментов. Здесь представлена разработка нового подхода под высоким давлением, которое в настоящее время достигает 10,1 ГПа. Это открывает новое окно в физику и химию конденсированных сред, где исследования высокого давления имеют большое значение.

Аннотация

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) является одним из наиболее важных методов изучения систем конденсированных сред, их химической структуры и электронных свойств. Применение высокого давления позволяет синтезировать новые материалы, но реакция известных материалов на высокое давление является очень полезным инструментом для изучения их электронной структуры и разработки теорий. Например, синтез под высоким давлением может быть источником жизни; А понимание поведения малых молекул под экстремальным давлением расскажет нам больше о фундаментальных процессах в нашей Вселенной. Неудивительно, что всегда был большой интерес к тому, чтобы ЯМР был доступен при высоких давлениях. К сожалению, требуемые давления часто находятся в диапазоне гига-Паскаль (ГПа) и требуют специальных устройств с наковальней, где доступны только очень малые изолированные объемы. В прошлом это почти полностью ограничивало использование ЯМР, и только недавно был предложен новый подход к высокочувствительному ЯМР GPa, который имеет резонирующую микрокатушку внутри камеры образца. Такой подход позволяет нам достичь высокой чувствительности в экспериментах, которые привносят мощь ЯМР в исследование конденсированных сред под давлением Гига-Паскаль. Первые приложения, обнаружение топологического электронного перехода в обычном металлическом алюминии и закрытие псевдощели в высокотемпературной сверхпроводимости, показывают мощь такого подхода. Между тем, диапазон достижимых давлений был значительно увеличен с помощью нового поколения наковальня (до 10,1 ГПа), которые подходят для ЯМР-магнитов со стандартным отверстием. Этот подход может стать новым, важным инструментом для исследования многих систем конденсированных сред в химии, геохимии и физике, поскольку теперь мы можем наблюдать за структурными изменениями глазами очень универсального зонда.

Введение

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.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1 монтаже и калибровке из 6H-SiC большого конуса наковальни Boehler типа

  1. Закрепите поршень и ху пластину в монтажных инструментов и вставьте наковальни Boehler типа в гостиной.
  2. Убедитесь, что каждый наковальня сидит прочно в бэк пластин.
  3. Использование эпоксидной смолы, (например, Stycast 1266), клея обе наковальни на свои места. Лечение в течение 12 ч при комнатной температуре, или 65 ° С в печи в течение 2 часов.
  4. Для достаточного выравнивания наковальни, использовать фиксирующий винт M1, чтобы выровнять опорные пластины и контролировать параллельность обоих наковален. Если наковальни оказались не параллельны, удалить эпоксидную смолу и перезапустить в пункте 1.2.

2 Прокладка Подготовка

  1. Сверло 1 мм отверстия в чипе ренатурированной Cu-Be (Cu 98 мас%, Be 2 мас%, толщина 0,5 мм) для штифтов латунь направляющих.
  2. Вставьте три длиной 5 мм кусочки диаметром 1 мм неизолированного медного провода в отверстия, которые распространяются вдоль наковальней, чтобы служить GUIDштифты е для Cu-Be прокладкой.
  3. Проверьте правильность заземления между штифтов и тела клетки. Как правило, сопротивление постоянному току от примерно 0,1 Ω желательно. Улучшение с применением небольшого количества проводящего серебра.
  4. Поместите Cu-Be чип на верхней части муассанит наковальней и закрыть ячейку.
  5. Использование гидравлического пресса, давление прокладку примерно 1/8 го калетты диаметра для достижения максимальной рабочей стабильности. Следить за фактическую толщину отступа с помощью микрометра.
  6. Просверлите отверстие соответствующего диаметра (½ из калетты диаметре) в центре углубление.
  7. Вырезают два канала в предварительно отступом прокладкой. Каналы должны быть достаточно глубоким, чтобы приспособить 18 мкм медный провод микро-катушки.
  8. Затвердейте готов прокладку на 617 К в течение 2 до 3 ч в печи.

3 Подготовка и загрузка из Micro-катушки

  1. Используйте кусок 1 мм медной проволоки апD пропустите его через проходных поршня. Закрепите медной проволоки с эпоксидной смолой и вылечить его в соответствии со стадией 1.3.
  2. Выберите шило (см список материалов) в котором находится нужный диаметр для микро-катушки и закрепите его между парой вращающихся патрона-челюстей.
  3. Клей (с, например, лак от SCB, увидеть список материалов) один конец 18 мкм медного провода на кулачков, удерживая другой конец и повернуть патрон челюсть так, что проволока наматывается на шило.
  4. Когда микро-катушки желаемого геометрии, зафиксировать другой конец проволоки на клей, а также.
  5. Использование разбавленный лак для фиксации катушки с применением небольшого количества в верхней части обмотки.
  6. Снимите катушку тщательно от шила, используя тефлоновую ленту.
  7. Поместите немного эпоксидной смолы (смотри пункт 1.3), без всяких добавок, в каналах прокладки.
  8. Поместите микро-катушку внутри камеры для образца и исправить ведет в каналах.
  9. Вылечить EPoXу смола по шагу 1.3.
  10. Припой один провод микро-катушки к горячей проволокой, а другой направляющего штифта.
  11. Добавьте немного серебра проводящей пасты на вершине каждого перехода. Лечение, как правило, занимает несколько минут.
  12. Уплотнение как переходы с небольшим количеством эпоксидной смолы.
  13. Отверждения эпоксидной согласно пункту 1.3.
  14. Теперь, проверить сопротивление постоянного тока катушки после каждого шага.
  15. Поместите образец в микро-катушки. Знайте, что любые ненужные физический контакт может уничтожить катушку.
  16. Добавить мелко молотый рубиновый порошок образца для калибровки давления.
  17. Наконец, затопить камеру с образцом с соответствующей среде давления. Используйте керосин для обеспечения почти-гидростатические условия до 9 ГПа.
  18. Осторожно закрыть клетку.

4 Применение и контроля давления

  1. Сначала слегка затянуть винты с потайной головкой M3 Allen.
  2. Для герметизации зафиксировать ячейку в тисках. Теперь, затянитедве противоположные винты попарно.
  3. Поместите под давлением ячейку в соответствующем держателе клеток.
  4. Отрегулируйте положение клетки так, чтобы лазерный луч достигает камеру с образцом.
  5. Используйте таблицу тонкой настройки, чтобы сосредоточиться рубиновый порошок в лазерном луче.
  6. Следить за рубин спектр фотолюминесценции при помощи соответствующего программного обеспечения спектрометра.
  7. Выписка фактическое давление в образце полости от наблюдаемого спектрального сдвига линий рубина R1 и R2.
  8. Уравновешивают давлением ячейку, по крайней мере 12 часов, прежде чем ЯМР началом измерений.

5. проведения экспериментов ЯМР

  1. Установите измеритель уровня на типичную ЯМР зонда. Производство соответствующие держатели клеток в механической мастерской.
  2. Припой горячий провод к зонду. Проверьте правильность электрического контакта между клеткой и зонда.
  3. Теперь, выполнять стандартные ЯМР эксперименты. Обратите внимание на тот факт, что микро-катушка веру чувствительны к приложенного радиочастотного власти.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Рисунок 3 показывает, как клетка полностью собранном давление, проводка, и установки на типичном ЯМР зонда выглядеть. В дальнейшем, несколько экспериментов будут отзывы, которые должны дать возможность читателю собрать широкий обзор о преимуществах и пределах введенной техники.

figure-results-1
Рисунок 1 Различные подходы к ЯМР высокого давления: () Сплит пар...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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 исхода эксперимента. Особенно, подготовка микро-катушки и ее фиксация в Cu-Be прокладки очень трудно и требует некоторого опыта. В дальнейшем, несколько важных советов приведены, который должен помочь первый успешное применение техники....

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Это исследование было профинансировано Международной исследовательской учебной группой (IRTG) "Диффузия в пористых материалах". Мы выражаем признательность за техническую поддержку со стороны Герта Клотцше и за стимулирующие дискуссии со Стивеном Райхардтом, Томасом Мейсснером, Дамианом Рыбицки, Тобиасом Херцигом, Натальей Георгиевой, Йонасом Кольраутцем и Майклом Юркутатом.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Титан марки 23robemetall GmbHASTM F 136
Бериллиевая медная фольгаGoodFellowCU070501Alloy 25 (C17200)
Медная проволока для микрокатушкиPolyfilкотировка по запросу
Stycast 1266Sil-Mid Ldt.
Муассанитовые наковальниCharles & Colvardцитата по запросу
Парафиновое масло (среда давления)Sigma Aldrich18512-1L
M4 Винты Allen contersunk (Ti64)Der SchraubenladenDIN912 M4x20
Optiprexx PLSAlmax-easylabцитата по запросу
Рубиновые сферы (~10-50 &микро; m)DiamondAnvils.comP00996
Ручной коленчатый прессDiamondAnvils.comA87000
DiamondAnvils.comA86000
Титановый скальпель Ньюматик МедикалNM45200710421 
Стеклозаписывающий алмазныйпланометр54467
Шлифовальные шильяЛоток1 4444 001
Кулачки патрона (4 кулачка)Лоток4 561 289
Лоток токарного станка4 560 023
Желоб сверлильного станка4 570 020
Сверлильный патронЛоток4 570 021
XY СтоликЛоток4 570 022
Сверла (от 0,30 до 0,50 мм)Лоток4 572 652 – 654
Низкотемпературный лакSCBshopSCBltv03
S1266001KG Микрометр толщины прокладки

Ссылки

  1. Hemley, R. J. Percy Bridgman´s Second Century. High Pressure Research. 30 (4), 581-619 (2010).
  2. 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).
  3. Ma, Y., et al. Transparent dense sodium. Nature. 458 (7235), 182-185 (2009).
  4. Eremets, M. I., Troyan, I. A. Conductive dense hydrogen. Nat Mater. 10 (12), 927-931 (2011).
  5. Jayaraman, A. Diamond anvil cell and high-pressure physical investigations. Rev Mod Phys. 55 (1), 65-108 (1983).
  6. Bertani, R., Mali, M., Roos, J., Brinkmann, D. A diamond anvil cell for high-pressure NMR investigations. Rev Sci Instrum. 63 (6), 3303(1992).
  7. Lee, S. -H., Luszczynski, K., Norberg, R. E., Conradi, M. S. NMR in a diamond anvil cell. Rev Sci Instrum. 58 (3), 415(1987).
  8. Lee, S. -H., Conradi, M. S., Norberg, R. E. Improved NMR resonator for diamond anvil cells. Rev Sci Instrum. 63 (7), 3674(1992).
  9. 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).
  10. Lee, S. -H., Conradi, M., Norberg, R. Molecular motion in solid H2 at high pressures. Phys Rev B. 40 (18), 12492-12498 (1989).
  11. Vaughan, R. W. An Apparatus for Magnetic Measurements at High Pressure. Rev Sci Instrum. 42 (5), 626(1971).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Pravica, M., Silvera, I. NMR Study of Ortho-Para Conversion at High Pressure in Hydrogen. Physical Review Letters. 81 (19), 4180-4183 (1998).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Meier, T., Herzig, T., Haase, J. Moissanite Anvil Cell Design for Giga-Pascal Nuclear Magnetic Resonance. Rev Sci Instrum. 85 (4), 43903(2014).
  20. Boyer, R. F., Collings, E. W. Materials Properties Handbook: Titanium Alloys. , ASM International. Materials Park, OH. (1994).
  21. Xu, J. -a, Yen, J., Wang, Y., Huang, E. Ultrahigh pressures in gem anvil cells. High Pressure Research. 15 (2), 127-134 (1996).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Meissner, T., Goh, S. K., Haase, J., Williams, G. rant 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).
  26. 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).
  27. Tateiwa, N., Haga, Y. Evaluations of pressure-transmitting media for cryogenic experiments with diamond anvil cell. Rev Sci Instrum. 80 (12), 123901(2009).
  28. Hahn, E. Spin Echoes. Phys Rev. 80 (4), 580-594 (1950).
  29. 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).
  30. Funamori, N., Sato, T. A cubic boron nitride gasket for diamond-anvil experiments. Rev Sci Instr. 79 (5), 053903(2008).
  31. 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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи