Introduction
Geçen yüzyılın başında, yüksek hidrostatik basınç altında yoğunlaştırılmış madde Percy BRIDGMAN damgasını deneylerde bu yana, yüksek basınç fizik alanı hızla 1 gelişmiştir. Ilgi çekici fenomenlerin çok sayıda çeşitli GPa 2 basınçlar altında meydana geldiği bilinmektedir. Buna ek olarak, yüksek basınç yoğun madde sistemlerin yanıtı bize elektronik zemin ve uyarılmış hal 3,4 hakkında çok şey öğretti.
Ne yazık ki, Giga-Pascal basınçlarında Yoğun madde elektronik özelliklerinin incelenmesi için teknikler x-ray ya da yolunu 5 önde gelen DC direnç ölçümleri ile nadirdir. Özellikle, elektron spin (ESR), ve nükleer manyetik rezonans (NMR) deneyleri, elektronik ya da nükleer Manyetik anlar üzerinde bir algılama gelen sinyali almak için gereken tipik bir yüksek basınçlı örs hücrelerde uygulanması neredeyse imkânsız olacağı kesindir küçük bir volume örs ve bir sızdırmaz contası tarafından konulan.
Çeşitli gruplar, karmaşık düzenlemeler kullanarak bu sorunu çözmek için çalıştık, örneğin, iki bölünmüş çift radyo frekans (RF) bobinler örsün 6 yanları boyunca yara, bir tek veya çift döngü saç iğnesi rezonatörünü 7,8; . 1 gibi çekirdekler γ - ya da bir RF bobin tarafından 9, Şekil 1, bir çift olarak bölünmüş renyum conta Ne yazık ki, bu yaklaşım hala büyük için deneysel uygulamalar sınırlayan düşük bir sinyal-gürültü oranı (SNR) muzdarip H 10. 15 - İlgilenen okuyucu diğer yüksek basınçlı rezonans tank devresi deneyleri 11 ifade edilebilir. Pravica ve Silvera 16 rapor hidrojen orto-para dönüşüm incelenmiştir 12.8 GPa, NMR ile bir örs hücrede elde edilen en yüksek basınç.
NMR uygulayarak büyük bir ilgi ilekuantum katıların özelliklerini incelemek için, bizim grup da yüksek basınçlar mevcut NMR olan ilgi oldu. Nihayet, 2009 yılında bir rezonansa radyo frekansı (RF) mikro-bobin örnek 17 çevreleyen yüksek basınç boşluğuna doğrudan yerleştirilir eğer yüksek hassasiyetli örs hücre NMR gerçekten mümkün olduğunu gösterdi olabilir. Bu tür bir yaklaşımda, NMR hassasiyeti, toz numuneleri üzerinde 17 A, NMR, örneğin daha da zor bir NMR deneyleri mümkün kılan, (RF bobini faktörü doldurulmasında çoğunlukla dramatik artışa bağlı olarak), birkaç büyüklük geliştirilir 7'ye kadar 18 GPa yüksek-sıcaklık süper-iletken. Bu malzemeler içinde büyük ölçüde süper-iletkenlik basınç uygulanması ile amplifiye edilebilir ve bu süreçlere ilişkin temel fikir söz yerel elektronik sonda ile bu işlemi takip etmek mümkündür. Ne olduğunu, yüksek basınç altında NMR ve güç için bir başka örnek ortaya Believed rutin deneyler referans olması: - Basit alüminyum metal gelen yeni örs hücre NMR test etmek için, en iyi bilinen malzemelerin bir ölçülmüştür. Basınç arttıkça, tek bir serbest elektron sistemi için beklediğiniz gelen NMR kayması beklenmedik bir sapma tespit edildi. Daha yüksek basınç altında da, deney tekrarlandı, yeni sonuçlar gerçekten de güvenilir olduğunu göstermektedir. Işlem gücü düşük olduğunda Nihayet, bant yapısı hesaplamaları ile daha sonra, sonuçları yıl önce hesaplamalar tarafından tespit edilemeyen alüminyum Fermi yüzeyinin, bir topolojik geçiş tezahürü olduğu tespit edilmiştir. Ortam koşullarına bulguların ekstrapolasyonunda hemen hemen her yerde kullanılır bu metalin özellikleri bu özel elektronik durumun etkili olduğunu gösterdi.
Farklı uygulamalar bir dizi takip etmek için özel olarak tasarlanmış örs hücreleri (önceki hücreleri Cavend ithal edilmiştiNMR sonradan ish Laboratuar ve) geliştirilmiştir. Şu anda, ikinci ev yapımı taşıyıcı 800 um culet 6H-SiC örsün çifti kullanılarak 25 GPa kadar basınç ulaşma kabiliyetine sahiptir. NMR deneyleri başarıyla bugüne kadar, 10.1 GPa kadar yapılmıştır. Bu yeni hücre NMR performansı 19 çok iyi olduğu gösterilmiştir. Ana bileşen Titanyum-Alüminyum (6) -vanadyum (4) yaklaşık 800 akma mukavemeti MPa 20 sağlayan bir ekstra düşük interstisyel düzeyde (sınıf 23), ile. Sayesinde manyetik olmayan özellikleri (manyetik duyarlılık χ yaklaşık 5 ppm) o örs hücre şasi için yeterli bir malzeme olduğundan. Tanıttı hücreler (tüm ev inşa örs hücre tasarımları bir bakış için bakınız Şekil 2) genel ölçüler normal standart delik NMR mıknatıslar içine sığacak kadar küçük. Yüksekliği sadece 20 mm ve 17 mm küçük tasarım, LAC-TM1, aynı zamanda tipik bir küçük kalibreli soğuk mıknatıslar (30 mm delik çapı) uyar. LYazarlar tasarlanmış en son şasi AC TM2, (iç basınç düzgün bir kontrolü için bağlanmış mavi baskı sağlayan basınç tahrik mekanizması olarak (ki bu hücre şasi ile aynı alaşımdan yapılmış) dört adet M4 Allen havşa civatalar kullanır ek bölüm).
Tipik olarak, elmas örsler 100 GPa üzerinde en yüksek basınçlar oluşturmak için kullanılır. Xu Mao 21-23 moisanit örsler yaklaşık 60 GPa basınçlara kadar, yüksek basınçlı araştırma maliyetli bir alternatif temin olduğunu göstermiştir. Bu nedenle moisanit örsler katılan GPa NMR yaklaşım kullanılmıştır. En iyi sonuçlar Charles & Colvard bir örs bölümünden özelleştirilmiş büyük koni 6H-SiC örs ile elde edilmiştir. Bu hücreler sayesinde, 10.1 GPa kadar basınçlar için 800 um culet örsün kullanımı çok iyi NMR duyarlılık ile sonuçlandığı bulunmuştur. Karşılaştırma için, Lee ve ark. 1H NM 1 bir SNR raporTanıtılan mikro bobin yaklaşımın SNR hatta biraz daha düşük manyetik alan, kendi hacminin 1/7 için 25 değerini gösterirken musluk suyu R,.
Modern malzeme fiziği ve kimyası heyecan verici yeni bir bakış açısı söz birçok uygulama takip edebilirsiniz yüksek hassasiyetli örs hücre NMR birine bu yeni yaklaşım ile. Bir küçük culet boyutlarını talep çok daha yüksek basınçlar ilgilenen Ancak, her zaman olduğu gibi, hassasiyet ve çözünürlük sonuçta, özellikle, NMR uygulamasını sınırlamak. Sonra, bir daha küçük RF bobinleri ile hücre tasarımı optimize değil, aynı zamanda nükleer kutuplaşmayı arttırmak için yöntemler düşünmek sadece vardır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Montaj ve 6H-SiC Büyük Koni Boehler-tipi Anvils Hizalamalı
- Montaj araçları piston ve xy plaka düzeltmek ve oturma alanında Boehler-tipi anvils yerleştirin.
- Tabii her örs sırt plakaları sıkıca oturur olun.
- (Örneğin, Stycast 1266), kendi koltuk hem anvils tutkal, epoksi reçine kullanma. Oda sıcaklığında 12 saat ya da 2 saat boyunca bir fırın içinde 65 ° C 'için tedavi.
- Yeterli bir örs uyum için, arka plakaları hizalayın ve hem de örsün paralelliği izlemek için M1 set vidaları kullanın. Örsler paralel olmayan olduğu bulunmuştur ise, epoksi reçinesi çıkarın ve yeniden başlatma alanına 1.2.
2. Conta Hazırlık
- Tavlı Cu-Be bir çip içine matkap, 1 mm delik pirinç kılavuz pinlerinin (w% Cu 98, ağırlıkça% 2, 0.5 mm kalınlığında olun).
- GUID'deki olarak hizmet etmek üzere, örs boyunca dağıtılmış olan delikler üç tane 5 mm ve çapı 1 mm olmayan izole edilmiş bakır telden uzun parçalar kaydedinCu-Be conta e pimleri.
- Kılavuz pimleri ve hücre gövdesi arasında uygun topraklama için kontrol edin. Tipik haliyle, yaklaşık 0.1 Ω bir DC direnci arzu edilir. Iletken gümüş küçük bir miktarda bir uygulama ile geliştirin.
- Moisanit örs üzerine Cu-Be çip yerleştirin ve hücre kapatın.
- Bir hidrolik pres kullanarak, en üst düzeyde çalışma istikrar için culet çapının yaklaşık 1/8 inci conta basınç. Bir mikrometre kaliper kullanılarak girinti gerçek kalınlığının izleyin.
- Girintinin merkezinde uygun çapın (culet çapının ½) bir delik delin.
- Önceden girintili conta haline iki kanal bölmek. Kanallar mikro-bobinin 18 mikron bakır tel karşılamak için yeterince derin olmalı.
- Harden fırında 2 saat 3 için 617 K'de hazırlanmış conta.
3. hazırlanması ve Mikro-bobinin Yükleme
- 1 mm bakır tel an bölgesinin bir parça kullanınPistonun boydan boya besleme geçirmektir d. Epoksi reçine ile bakır tel Fix ve adım 1.3 göre bunu tedavi.
- Mikro-coil için istenen çapa sahip bir bız (malzemelerin listesini görmek) seçin ve dönebilen ayna çeneleri bir çift arasında bunu düzeltmek.
- Tutkal diğer ucunu tutarken, çeneleri üzerine 18 mikron bakır telin bir ucunu (SCB dan eg, vernik ile, malzemelerin listesini görmek) ve tel tığ üzerine sarılmış şekilde ayna çene döndürün.
- Mikro bobin istenilen geometrinin olduğunda, hem de tutkal üzerine telin diğer ucunu sabitlemek.
- Sargılarının üst kısmında küçük bir miktarın uygulanmasıyla bobini sabitlemek için seyreltilmiş vernik.
- Teflon bant kullanarak tığ dikkatlice bobini çıkarın.
- Contanın kanalları, herhangi bir katkı maddesi, bir epoksi reçinesi (noktası 1.3) yerleştirin.
- Numune odasının içine mikro-coil yerleştirin ve kanallar içine uçlarını sabitleyin.
- Epox Curey reçine göre 1.3 adıma.
- Sıcak tel mikro bobini ve bir kılavuz pimi diğer bir kurşun lehim.
- Her kavşak üstüne bazı gümüş iletken macun ekleyin. Tipik Kür birkaç dakika sürer.
- Epoksi reçinenin küçük bir miktarı ile, her iki kavşaklar Seal.
- 1.3 aşamasına göre epoksi Cure.
- Şimdi, her adımdan sonra bobinin DC direnci kontrol edin.
- Mikro bobinindeki numuneyi. Gereksiz fiziksel temas bobini yok olabileceğini unutmayın.
- Basınç kalibrasyon için numuneye ince öğütülmüş yakut toz ekleyin.
- Son olarak, uygun bir basınç ortam maddesi ile numune haznesi sel. 9 GPa kadar neredeyse-hidrostatik koşulları sağlamak için parafin yağı kullanın.
- Dikkatli bir şekilde hücre kapatın.
4. Uygulama ve Basınç İzleme
- İlk başta biraz M3 Allen gömme vidayı sıkın.
- Basınçlandırma için bir mengene hücreyi düzeltmek. Şimdi, sıkınİki karşıt vida ikili.
- Bir hücre tutucuya basınçlı hücre yerleştirin.
- Lazer ışını, numune odasına ulaşır, böylece hücrenin pozisyonunu ayarlar.
- Lazer ışını yakut tozu odaklanmak için ince ayar tablosunu kullanın.
- İlgili spektrometre yazılımını kullanarak yakut fotolüminesans spektrumunu izleyin.
- Yakut R1 ve R2 hatlarının gözlenen tayf kayması örnek boşluğunda gerçek basıncı ayıklayın.
- NMR ölçümleri çalıştırılmadan önce en az 12 saat boyunca basınçlı hücre dengelenmesi.
5. Sahne NMR Deneyleri
- Tipik NMR sonda üzerine basınç hücresi monte edin. Mekanik atölye uygun hücre taşıyıcıların imalatı.
- Sondaya sıcak tel lehim. Hücre ve sonda arasında uygun elektrik teması kontrol edin.
- Şimdi, standart NMR deneyleri gerçekleştirmek. Mikro-bobin ver olduğu gerçeğine dikkat çekmekuygulanan radyo frekansı gücüne karşı duyarlı y.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 3, tipik bir NMR sonda üzerine tamamen monte edilmiş basınçlı hücre, kablo ve montaj gibi gösterir. Aşağıda, çeşitli deneyler faydaları ve tanıttı tekniğinin sınırları hakkında geniş bir bakış toplamak için okuyucunun hangi gözden geçirilecektir.
Şekil yüksek basınç NMR 1. Çeşitli Yaklaşımlar: örs kanatlarını yanı sıra Bertani ark bir renyum conta kapsayan (A) Bölünmüş çift bobin. Lee ve ark dan (Bertani ve ark. 4. Telif 1992 izinleri ile çoğaltılmıştır, AIP Yayıncılık LLC.) (B) Saç-pin rezonatör. (Lee ve ark izinleri ile çoğaltıldı. 6. Telif Hakkı 1992, AIP yayın LLC.) (C) Pravica ve ark. bir yöntemi tanıttıbir radyo-frekans bobin tarafından gibi bir dönüş kapak indüktör ile birlikte bir ayrık conta kullanılmıştır. (Pravica ark. 7'den izinler ile yayınlanmıştır) bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
NMR Şekil 2. Çeşitli yüksek basınç örs hücre tasarımları: Tüm tasarlanmış cep şasi düzlemsel ayarlanabilir konik örs destek plakası hariç başka örs uyum mekanizmaları olmadan basit bir piston-silindir set-up oluşmaktadır. Silindirik hücreler TM0 ve TM1 uygun bir kristal dizilim kendi simetri ekseni boyunca olan hücreler döndürülerek elde edilebilir tek kristallerin NMR araştırmalar için özellikle müsaittir. Tüm şasi genel boyut sağlayarak, 40 mm'yi aşmazStandart geniş çaplı mıknatıslar NMR kullanılmak üzere. Küçük tasarım boyutları (TM1) hatta küçük kalibreli mıknatıslar (kaba boyutları 20 mm x 18 mm) kullanılmasına olanak tanır.
Bir sıvı galyum numune, yakut tozu ve basınç ileten ortam ile doldurulmuş bir 4-dönüş mikro bobin ile birlikte, yüksek basınçlı bölge Şekil 3 (A) 'fotoğrafı. (B), bir ev dahili NMR sonda Lac-TM1 monte edilmiştir. (C), yüksek basınç bölgesinde mikro-coil bağlantı prob şematik kablolama, ayrıca 29 bkz. , bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
I) 'in 10,1 GPa alüminyum tozu yukarı 27 Al-NMR
İlk deneyler yaygın de Haas-van Alphen ölçümleri 26 için kullanılan Cambridge Üniversitesi Cavendish Laboratuvarı, bir Berilyum-Bakır elmas örs hücre tasarımı kullanılarak yapılmıştır. Hücre Leipzig yüksek hassasiyetli NMR deneyleri için hazır hale getirilmesi ve temsili sonuçlar ise bundan sonra tartışılacaktır.
Deneylerin ilk seti uygun bir referans bileşik olduğu, bir metalik alüminyum inceleme ile ilgilidir. İki farklı örs hücre kadar 10.1 basınçları için 800 mikron culets bir örs ile 4.2 GPa kadar basınçlar için 1.000 mikron culet çapı örs ile donatılmış, kullanılmış veGPa. İlgili mikro bobinler sırasıyla, 1 mm ve 0.8 mm culet örsler, 10 tur (300 mikron çapında) ve 9 tur (200 mikron çapında) ile solenoidlerine idi. Yalıtılmış bakır telin çapı 15 mikron idi. Basınç hücreleri ince ufalanmış alüminyum tozu (3N saflık, 325 ağ gözü) ve bir basınç sensörü olarak işlev gören küçük yakut çip ile yüklendi. Basınç medya iletilmesi gibi, Daphne 7373 ve gliserin GPa 27 en az 5 kadar hidrostatik koşullarının sağlanması, kullanılmıştır. NMR ölçümleri oda sıcaklığında, 7,03 T manyetik alanlarda 11.75 T, ve 17.6 T yapılmıştır (alan bağımlı ölçümleri hat genişletilmesi mekanizmasını araştırmak için gerekli idi). Rezonans devresinin kalite faktörü Q, yaklaşık 16, tüm hücreleri için. Nutasyon deneylerle, π / 2 pals süresi yaklaşık 1 watt ortalama RF darbe güçte yaklaşık 2 us olduğu tespit edilmiştir. Bu parametreler, rezonans MICR ortalama RF manyetik alan genliği B 1. yolo-bobini B yaklaşık 1 = π / (2γ n t π / 2) 11 mT = (27 Al dönermıknatıslık oranını ise 6.98 ∙ 10 7 RADT -1 s -1). Bu tahmin, teorik rakamdan daha küçük 3 sadece bir faktör B 1 = [(μ 0 QP) / (2ωV bobin)] ½ = 35 mt ve RF gücü en gerçekten Al rezonans ve iyi bir duyarlılık göstermektedir sürücüler tespiti için de beklenebilir. Örneğin, 6.3 GPa de, 1024 sinyal tatmin edici spektrumları vermek için birikmiş edildi. Yaklaşık 50 ms'lik bir pals tekrarlama süresi ile, toplam ölçüm süresi spektrum başına yaklaşık sadece 1 dakika idi. Kaymalar sulu bir AlCl3 örneğe referans alınmıştır.
Metalik alüminyum p Şekil 4. 27 Al NMRowder: (B) 10,1 GPa olarak 145 ppm e kadar yaklaşık 77 ppm ila artış gözlenen toplam çizgi genişliğinin (kırmızı kareler), (C) serbest indüksiyon 11.74 manyetik alanların çürümelerini kayıtlı (A) 10,1 GPa spektrumları kadar edinilen T (mavi), 17.6 T (kırmızı) ve her ikisi de (yeşil) arasındaki fark, (d) elde edilen sıkma farklı darbe ayırma süreleri için yüksek bir basınçta görüntülemektedir. Meissner ve ark. 23 den Şekil 1 yayımlanmaktadır bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Basınç arttıkça en önemli sonuç, serbest elektron davranış Şövalye vardiya (ortam basıncında 1640 ppm) beklenmedik bir sapma oldu. Daha sonra bant-yapı hesapları, baca gazının olarak, bu daha önce bilinmeyen bir Fermi yüzeyinin Lifschitz geçiş kaynaklanmaktadır. Buna ek olarak, bir unushenüz izah edilemeyen keşfedildi yüksek basınçta alan bağımsız line genişliği bına artış. Bu yapısal yasak kuadrupol etkileşimin neden olabilir, ya da nedeni yaklaşan van Hove tekillik dolaylı arası nükleer manyetik dipol kavrama başlangıcı işaret ediyor olabilir. Alternatif basınç eğimleri bu bulgunun arkasında olabilir, ancak farklı iletim medya benzer sonuçlar verir ve o zamandan beri çizgi-genişlikleri alan bağımsız olmak, kübik yapıdan sadece sapmalar sonuçlarını açıklayabilir.
Bu örnek, bir hatta iyi bilinen sistemlerin, nicel sonra test-devlet-sanat hesaplama kalibrasyonu neden olabilir bilgiler hakkında önemli ayrıntıları öğrenebilirsiniz göstermektedir. Sadece s-gibi elektronlar vardiya hakim beri Örneğin, biz bile Fermi yüzeyinde değişiklikler nasıl katılacağı konusunda bilgi edinmek.
Deneylerin ikinci seti t 17 O NMR ilgilendiriyoro yüksek sıcaklık süperiletken YBA 2 Cu 4 O 8. Bu deneyler, yüksek hassasiyetli örs hücre NMR gelişiminin arkasındaki itici güç vardı. Sıcaklık bağımlı NMR kaymaları dahi büyük ölçüde farklı bir aşılama düzeylerinde için bu ve diğer süper-iletkenlerin bilinmektedir. Bu sistemler henüz tam olarak anlaşılmış değildir Ancak, kimse NMR sinyalleri nasıl etkilediğini araştıran bir değişebilir yandan başka uygun bir parametre olan ilgi olduğunu. Bu sistemlerde 17 A NMR verileri, elektronik spin (ve herhangi bir yörüngesel etkilerini) hakim olduğu bilindiğinden, bu basınca bağlı çalışmalar için uygundur. Burada, 1 mm (2 GPa 3) ve 0.8 mm (4.2 GPa 6.3) ile örs hücre moisanit örslerdir kullanıldı culet. Mikro rulo boyutları, yukarıda açıklanan metal alüminyum deney için kullanılanlara benzerdir. Numuneler toz numuneleri üzerinde 17 O, bu tür deneyler ile zenginleştirilmiş iken hala oldukça chall edilirEnging. Ölçümler, oda sıcaklığına kadar 85 K arasındaki sıcaklıklarda 11,75 T manyetik alanda yapılmıştır. NMR sinyalleri Hahn 28 yankıları birikerek kaydedildi. RF darbe gücünü değiştirmek suretiyle, π / 2 ve π-darbe süreler sırasıyla 1.7 ve 3.4 us jısn'ye olduğu bulunmuştur. Sinyal ayırma tipik olarak 30 ms'den oldu. Oda sıcaklığında, Q faktörü için yaklaşık 12 B 1 -Tarla beklenen değere (43 mt) ile uyumludurlar, 1 W arasında bir ortalama darbe RF gücü ile 25 mT oldu. Olağan alma süreleri bir spektrum için 14 saat hakkında vardı. Bu daha uzun ölçüm zaman, nispeten düşük bir frekans ile Larmor toz numunesinin rezonant 17 A çekirdeklerinin az sayıda etmektir. Yine, bu ilk deneyler çok heyecan verici sonuçlar sağladığını kanıtlamıştır. Bu malzeme (YBA 2 Cu 4 O 8) Daha önce, kapsamlı NMR deneyleri için "Drosophıla" oldu. Bu stoikiometrik bir malzemedir, ama pseudogap özelliği gösterilmektedirbu nedenle bu malzeme sınıfı için karakteristik ancak anlaşılamamıştır. Basınç uygulayarak, vardiya sıcaklık bağımlılığı önemli ölçüde değiştirir. Pseudogap özelliği bir diğer sistemler için doping düzeyini artırır olur ne benzer basınç arttıkça, yavaş yavaş kaybolur. Ayrıca ve oldukça beklenmedik, bu iki kayma bileşenlerin bir değişiklik ile meydana olduğu tespit edilmiştir: bir metal, oldukça zordur bunlardan biri hafifçe düşer, bu gibi davranır, ikinci bileşen (bu ortam basıncı sinyalinin sıcaklık bağımlılığını var) Ortam basıncında görebilir, ancak son derece basınç ile amplifiye edilir ve 6.4 GPa, en yüksek basınçta bir değişim hakim olan.
Şekil 5. 17 O NMR YBA 2 Cu 4 6.4 GPa Üst Paneli kadar Ç. 8: 110 K. The 6.3 GPa observed 17O NMR'ında çizgi genişliği yaklaşık 1.500 ppm olduğu gözlemlendi. Alt: kaydedilen oksijen NMR spektrumları. Dört ayrı 17 O sinyalleri bile 105 ve Meissner ve ark izni ile 110 K. yayımlanmaktadır Şekil 2 arasındaki sıcaklıklarda yüksek basınçlarında (düzlemsel, apeks ve zincir oksijenler kaynaklanan) tespit edilebilir. 24 büyük halini görmek için buraya tıklayınız Bu rakamın.
Böyle çarpıcı sonuçlar yazarlar ev inşa yüksek hassasiyetli örs hücre cihazları tasarlamak derinlerine girmeye karar verdik.
1.8 GPa sıvı galyum II) 69,71 Ga-NMR
Veyadaha ayrıntılı olarak, katılan moisanit örs hücre performansını ölçmek için der sıvı galyum, bir test örneği olarak seçilmiştir. Sıvı galyum örnek 5N bir saflık derecesi ile elde edilmiştir. Mikro-bobinin yükleme galyum küçük bir parça akışkanlaştırıcı ve daha sonra mikro-bobinin içine doldurularak elde edilmiştir. Bu raporda gösterilen veriler elde edebilmek için hiçbir isotopically geliştirilmiş örnek kullanıldı; 69 Ga ve 71 Ga izotopların doğal zenginliği yeterli olduğu bulunmuştur.
Galyum sıvı haldeki 2 GPa kadar yüksek basınçlarda bulunmaktadır. Bu nedenle, çok duyarlı, yüksek çözünürlüklü, Ölçüm, bu sistemde gerçekleştirilebilir. Şekil 6, oda sıcaklığında ve 1.8 GPa bir basınçta, bazı tipik 69,71 Ga-NMR spektrumları gösterilmiştir. Ölçümler iki adet 800 um culet 6H-SiC Reussenstein tipi örs ile donatılmış bir örs hücre ve 200 um iç bir 4-dönüş mikro bobini kullanılarak 11,74 T bir manyetik alan gerçekleştirildiçapı 18 mikron çaplı bakır telden yapılmış. Q-faktörü yaklaşık 18 120.5 MHz ve 150.3 MHz idi. Π / 2 bakliyat uzunlukları yaklaşık 150 mW ortalama RF darbe gücünde incelendi ve 3 Ps sırasıyla 69 Ga ve 71 Ga, 2 Ps olarak belirlendi. İlgili manyetik alan genlikleri 28 mT ve tahminleri ile mükemmel bir uyum içinde 25 mT bulunmuştur. Deneysel olarak, sinyal-gürültü oranı 1 MHz bant genişliğinde bir gürültü SNR (69 Ga) = 0.8 ve SNR (71 Ga) = 0.5 olduğu tespit edildi. Ref hesaplamaları ardından. 19, beklenen SNR sırasıyla, 69 Ga ve 71 Ga için 1 ve 1.2 olarak hesaplanmıştır. Bu 69 ve 71 Ga Ga sadece 4.6 ∙ 10 16 ve 10 16 3 ∙ rezonant çekirdek (mikro-bobinin doldurma faktörü yaklaşık% 50 idi) NMR sinyallerinin katkısı olduğu tahmin edilmiştir.
Şekil 6. 69 Ga ve 1.8 GPa sıvı galyum 71 Ga NMR hem NMR aktif galyum çekirdekler Kaydedilmiş NMR spektrumları. (Mavi: 69 Ga, kırmızı: 71 Ga) 1,8 GPa de oda sıcaklığında (ana çerçeve). Rezonans kaydırma sulu Ga (NO 3) çözeltisi ile, sinyal frekansları karşılaştırılarak elde edildi. Sol İçerlek: 150 mW ortalama nabız güç hem de çekirdekleri bir nütasyon deneyden elde edilen sonuçlar. Sağ iç metin: a. Π den elde edilen veriler - π / 2 inversiyon recovery deney , bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 6'nın sol içerlek pals uzunluğunun değişen bir salınım deneyinin tipik bir sonucu gösterir. Şekil 6'nın sağ darbesi içerlek ayırma kez arttırılması için bir π-π / 2 inversiyon geri kazanım deneyinde elde edilen gözlenen sinyal yoğunluklarının bağımlılığını gösterir. Tek bir üstel yasayı kullanarak, spin-örgü durulma oranları 1 R 1 69 = 1740 s -1 ve R 1 71 = 2020 s -1 belirlendi R. Tüm spektrumları 11.74 T manyetik alanda kaydedildi ve 500 taramaları birikmesidir edildi. Bu tatmin edici bir spektrum için, sadece 3 sn toplam veri toplama zamana yayılmasına yol açmaktadır (: RT ≥ 5/1 R, empülsiyon tekrar süresi (RT), yeterli bir ilişki için seçilmiştir). Bu verilerin ayrıntılı bir analizi başka bir yerde verilecektir.
Ek Şekil LAC-TM2 Piston 1. Planlar./www.jove.com/files/ftp_upload/52243/52243supfig1highres.jpg "target =" _blank "> Bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Ek Şekil LAC-TM2 Shell 2. Blueprints. , bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Ek Şekil LAC-TM2 XY 3. Blueprints. , bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Giga-Pascal basınçlarında NMR gerçekleştirmek için, yeni ve umut verici bir yöntem tarif edilmiştir. Bu yöntem nedeniyle mükemmel hassasiyet ve çözünürlük NMR deneyleri geniş bir çeşitli kapı açılır. Bununla birlikte, protokol bölümünde açıklanan çeşitli adımlar deney sonucu için çok önemlidir. Özellikle, mikro-coil hazırlanması ve Cu-Be conta onun sabitleme çok zordur ve deneyim gerektirir. Aşağıda bununla ilgili bazı önemli ipuçları tekniğin bir birinci uygulama başarılı bir yardımcı olması gereken verilmiştir.
Sözü edilen bütün veriler katı hal NMR uygulama için bir ticari Apollo veya Bruker NMR spektrometresi kullanılarak elde edildi. Mıknatıslar 7,03 standart NMR deneyleri için kullanılan 17.6 T. basit ev inşa NMR prob değişen manyetik alanları ile standart geniş çaplı Bruker mıknatıslar örs hücreleri tutmak için sonradan konuldu.
LAC-TM2 hücre şasi olmalıEkin verilen mavi baskı göre üretilebilir. Özel ilgi boşluk her türlü önlemek amacıyla pistonun üretimi ve hücre kabukta, karşılık gelen kanal ödenecek vardır. Tipik olarak, daha iyi 10 um arası bir doğruluk yük altında basınç hücrelerin yeterli bir çalışma stabilitesini sağlamak için arzu edilir. İyi bir makine atölyesi ,01-,015 mm boyutlu doğruluk elde edebilirsiniz. Gerekli M4 Allen gömme asma olarak ya da üretilen veya özel şirketler (örneğin, malzeme listesi) satın alınabilir. Tüm hücre preparatı boyunca, deney sonucunu etkiler ferromanyetik malzemeleri ile kirlenme her yana manyetik olmayan araçları kullanabilir. Cu-Be conta haline kanalları oyma Bu nedenle, bir titanyum veya bir cam neşter-yazı elmas kullanabilirsiniz.
3 numaralı adımları için, birkaç özel araçları en iyi sonuçlar için gereklidir. Mikro-co hazırlanması içinil, çeneleri ya da bir torna bir dizi halinde kullanılabilir. Mikro-bobinin sarılması için, konik bız (tipik olarak 180 um ila 450 arasında çaplarda) kullanılabilir. Numune yükleme işlemi için, bir tel parçası veya bir çok keskin bir iğne kullanılması gerekmektedir. Bu, kangalın toplam yüksekliği conta önceden girinti kalınlığını geçmemelidir dikkat etmek önemlidir. Tipik olarak, mikro bobinler 1000 um ve 800 um culet örsler yeterli 3-5 (18 um bakır tel kullanılarak) döner az 100 um olan bir yüksekliğe sahip malzemeden imal edilmiş. Bu adımda 3.10 Aşağıdaki her adımda mikro-bobinin DC direncini izlemek önemlidir. Tipik haliyle, beklenen direnci direnç kÊ ya da M? Ayırır, hücre açılmalı ve işlem adım 3.1 başlayarak, yeniden, hücre arasında yaklaşık 1 Ω olmalıdır.
RF mikro-bobinin bir deformasyon kaçınılmalıdır. Ampirik olarak, bulunmuştur ki bu 6 GPa'dan fazla basınçlarda, to ölçüde döner conta başlar, kolayca 50 um altında örnek deliğin yüksekliğini azaltarak fazla 4 ile en mikro-bobinleri deforme, basıncı ile düzleştirmek için-Be cu. Daha küçük bir boyutu olan örsler culet yüksek basınçlara ulaşmak için kullanılacak ise, elde edilen numune haznesi (maksimum çalışma stabilite için conta tasarımının gereğinden dolayı) hacminin büyük ölçüde azaltılacaktır. Örneğin, 1 mm ilâ 0.8 mm culet örsün çiftinden giderek, numune hacmi 3 nl ila yaklaşık 10 nl azalacak ve mikro-bobinin sarım sayısı 6 ila 4 (eğer 18 um düşecektir bakır tel) kullanılır. Bu tipik olarak, büyüklüğün, yaklaşık bir sırasına göre SNR bir azalmaya neden olacaktır.
Biz vurgulamak istiyorum bu noktada, conta malzemesinin seçimi çok önemlidir olabilir. 10 GPa basınçlara örnek boşluğu Wil yukarıda belirtilen, deformasyon istendiğinde ortaya Be, Cu-contalar uygun olmayabilirl sonunda RF mikro-coil yok. Alternatif bir conta malzemesi, çok daha yüksek bir mekanik güce sahiptir ve manyetik olmayan bir renyum, olabilir. 30 conta malzemeleri gibi, kübik bor nitrür kullanılan diğer gruplar, diğer bir yöntem haline contanın iç metal bölge elmas / epoksi karışımı ile ikame edilmiştir Reussenstein vd 29 ile yapılmıştır; amacıyla örnek boşluğun çapına oranı yüksekliğini artırmak için. Bu yaklaşım, daha önce kullanılan metal conta göre daha üstün olduğu bulunmuştur. Bu noktada, yazarlar başka yayınlanacak bu umut verici bir yöntem ile bazı deneyim topladık.
Titanyum vidalar yanı sıra Allen set tuşlarının konuları ve somun bazı basınç çalıştıktan sonra eskitmek olacak. Bu nedenle, bir makine atölyesi tarafından revize veya tamamen değiştirilmesi gerekiyor. Deney için doğru basınç ortamının seçimi çok önemlidir. Basınç kalibrasyonu, 4.4 adım kolayca olabilir,yakut tozu R 1 ve R 2 hatların basınç kaynaklı vardiya gözlemlemek için piyasada mevcut optik spektrometre sistemi kullanılarak yapılır. Bu iyi bilinen tekniği ile ilgili daha fazla bilgi 31 literatürde verilmektedir. Hydrostaticity kaybı R1 ve R2 spektrumları yakut fotolüminesans hat genişliğinde belirgin bir artış ile gösterilir. 10 GPa aralığında baskılara hidrostatik koşulları sağlamak için gerekiyordu 1 metanol / etanol karışımı,: En iyi sonuçlar, sıvı azot, sıvı asil gazlar veya 4 kullanılarak elde edilebilir.
Standart NMR deneylerinde saygı ile tekniğin sınırları, herhangi bir sihirli açı eğirme teknikleri erişilememesi yatıyor. Bu büyük ölçüde, yaklaşık 5 ppm çözünülürlüğünü sınırlar. Diğer taraftan, 1 H NMR ölçümleri bağlı dominantl kaynaklanan sahte bir proton sinyalleri, çok çeşitli için, şu anda tavsiye edilmemektedirepoksi reçine ve mikro-bobinin poliüretan izolasyon gibi en çok kullanılan basınç ileten ortamından y. Burada söz Bir başka önemli nokta, her deney başarısı her edinim süreyi ayarlar örnekleri içsel sıkma gevşeme süreleri bağlıdır olmasıdır. Hızlı bir spektral birikimi toplam ölçüm süresini azaltmak için gerektiğinden, çok uzun bir T 1 numune kaçınılmalıdır.
Bu 1H-NMR nedeniyle mikro bobinler için epoksi reçine, vernik ve yalıtılmış tel geniş kullanımı için tasarım ile mümkün olmayabilir, işaret edilmelidir. Bununla birlikte, protonlar üzerinde deneyler isteniyorsa biri tarafından-ve-büyük malzemeler içeren 1H yerine (veya mümkün sentezi için 2H kullanın) gerekir.
Yüksek hidrostatik basınç altında NMR diğer tüm yaklaşımlar, w nedenle oldukça uzun gerekli veri toplama kez düşük SNR acı vehich imkansız bir çok deney render. Gösterilen mikro bobin yaklaşım bobinin dramatik gelişmiş dolum faktörü ile bu engelleri aşmakta ve biz NMR yüksek oranda ilişkili ve ilintisiz elektron sistemleri üzerinde mümkün olduğunu göstermiştir.
Son olarak, bizim yeni örs hücre tekniği, modern yoğun madde araştırmalarında önemli bir gelişme olduğuna inanıyoruz. Biz bu yaklaşım 10 GPa'dan basınca kadar yüksek hassasiyet NMR deneyleri gerçekleştirmek için araştırmacılar sağlar olduğunu göstermiştir. İlk uygulamalar örs hücre NMR modern malzeme, elektronik ve kimyasal yapısının çalışmanın getiriyor gücünü kanıtlamak.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- 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.
- Eremets, M. I., Troyan, I. A.
- 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. , ASM International. Materials Park, OH. (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. 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).
- 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.
- 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).
