극한의 상황에서도 응집 물질의 전자 화학적 특성을 프로빙을위한 새로운 도구 : 기가 파스칼의 압력에서 고감도 핵 자기 공명

요약

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.

초록

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.

서문

지난 세기의 시작 부분에서 높은 수압 압력에서 응축 물질의 퍼시 브리지 먼의 특징 실험 이후, 고압 물리학의 분야는 급속 ^한 발전했다. 흥미로운 현상의 많은 여러 GPa로 ^(2)의 압력에 따라 발생하는 것으로 알려져있다. 또한, 고압으로 응축 물질 시스템의 응답은 우리에게 자신의 전자 지상과 흥분 상태 ^3,4에 대해 많은 것을 가르쳤다.

불행하게도, 기가 파스칼의 압력에서 응축 물질의 전기적 성질의 조사 기술은 X 선이나 방법 ^5를 선도 DC 저항 측정으로 드물다. 특히, 전자 스핀 (ESR) 또는 핵 자기 공명 (NMR) 실험으로 전자 또는 핵 자기 모멘트의 검출은 하나의 신호를 검색 할 필요 전형적인 고압 앤빌 세포에서 구현하는 것은 거의 불가능할 수밖에 작은 Volume 받침대 및 밀봉 가스켓에 안치.

몇몇 그룹이 복소 배열을 사용하여이 문제를 해결하는 시도 등이 분할 한 쌍의 무선 주파수 (RF) 코일은 받침대 ^(6)의 측면을 따라 감겨, 단일 또는 이중 루프 머리 핀 공진기 ^7,8; . 예컨대 ^1과 핵 γ - 또는 RF 픽업 코일 ^(9),도 1 참조 심지어 분할 레늄 가스켓 불행히도, 그러한 접근법은 여전히 대형까지 실험 응용을 제한, 낮은 신호 대 잡음비 (SNR)을 앓고 H ^{10. 15 -} 관심있는 독자는 다른 고압 공진 탱크 회로 실험 ¹¹ 지칭 될 수있다. Pravica 및 Silvera ¹⁶ 보고서 수소의 오르토 - 파라 변환을 공부 12.8 GPa로와 NMR에 대한 앤빌 셀에 달성 된 가장 높은 압력.

NMR을 적용에 큰 관심과 함께양자 고체의 특성을 연구하기 위해, 우리 그룹뿐만 아니라, 높은 압력에서 사용할 수 NMR 데에 관심이 있었다. 마지막으로, 2009 년에이를 공명 무선 주파수 (RF) 마이크로 코일 ^(17)을 둘러싸는 샘플 고압 캐비티에 직접 배치되는 경우 고감도 앤빌 셀 NMR 정말로 가능하다는 것을 입증 할 수 있었다. 이러한 접근법에서, NMR 감도의 분말 샘플에 대해 ¹⁷ O NMR 예 더욱 도전 NMR 실험을 가능하게, (RF 코일의 계수를 채우기에 주로 기인 극적인 증가) 수십배에 의해 향상된다 최대 7 GPa로 ^(18)에서 고온 초전도체. 이들 재료의 초전도 크게 압력의인가에 의해 증폭 될 수 있으며, 프로세스에 지배 근본적인 통찰력을 약속 로컬 전자 탐침이 프로세스를 수행하는 것이 가능하다. 무엇인지 고압 NMR의 힘에 대한 또 다른 예는 등장 believED 루틴 퍼런 실험으로 : - 단순 알루미늄 금속을 도입 새로운 앤빌 셀 NMR을 테스트하기 위해, 잘 알려진 물질 중 하나를 측정 하였다. 압력이 증가함에 따라, 하나는 자유 전자 시스템에 대해 무엇을 기대에서 NMR 변화의 예기치 않은 편차가 발견되었다. 증가 된 압력에 따라 또한, 실험을 반복, 새로운 결과가 참으로 신뢰할 수있는 것으로 나타났다. 컴퓨팅 파워가 낮을 때 마지막 밴드 구조 계산으로는, 결과 년전 계산에 의해 검출 될 수없는 알루미늄 페르미 표면의 위상 전이의 표현 인 것으로 밝혀졌다. 주변 조건에 대한 연구 결과의 외삽은 거의 모든 곳에서 사용이 금속의 성질이 특별한 전자 조건에 의해 영향을받는 것으로 나타났다.

서로 다른 응용 프로그램의 수를 추구하기 위해 특별히 디자인 된 앤빌 셀 (이전 셀은 Cavend에서 수입했다NMR을 위해 개조 틱 연​​구소와) 개발되었다. 현재 사용되는 조립식 섀시는 800 μM의 culet 6H-SiC를 앤빌의 쌍을 사용하여 25 GPa의 최대 압력에 도달 할 수있다. NMR 실험은 성공적 지금까지, 10.1 GPa로까지 수행 하였다. 이 새로운 셀 NMR 성능은 ¹⁹ 우수한 것으로 나타났다. 주성분은 티타늄 - 알루미늄 (6) -Vanadium (4)에 대한 (800)의 항복 강도가 ²⁰ MPa로 ^제공 여분 낮은 격자 간 레벨 (등급 23)와. 인해 비 자기 특성 (자기 자화율 χ 약 5 ppm의 경우)는 앤빌 셀 섀시의 적절한 소재이다. 도입 된 세포 (모든 조립식 앤빌 셀 설계의 개요를 그림 2 참조)의 전체 크기는 일반 표준 구멍 NMR 자석에 들어갈 정도로 작다. 높이 만 20mm, 직경 17mm 인 작은 디자인, LAC-TM1은 또한 전형적인 작은 냉간 구멍 자석 (30mm 구멍 직경)에 적합합니다. L저자 설계된 최신 섀시 인 AC-TM2는 (내부 압력의 매끄러운 제어에 부착 청사진을 허용 압력 구동 메커니즘 (셀 섀시와 같은 합금으로 만들어진) 사 M4 육각 카운터 싱크 볼트를 사용 보충 절).

통상적으로, 다이아몬드 앤빌 100 GPa의 전술의 최고 압력을 생성하기 위해 사용된다. 쑤 마오 ^21-23 moissanite의 ^앤빌은 약 60 GPa의 압력의 최대 고압 연구 비용 효율적인 대안을 제공하는 것을 보여 주었다. 따라서, 모이 사 나이트 모루는 도입 GPa의 NMR 방법을 사용 하였다. 가장 좋은 결과는 찰스 & Colvard의 모루 부서의 사용자 정의 대형 콘 6H-SiC를 모루 달성 하였다. 그 세포로, 1​​0.1 GPa의 최대 압력에 대해, 800 μM의 culet 앤빌의 사용은 아주 좋은 NMR 감도가 낮아 밝혀졌다. 비교를 위해, Lee 등은 알. ¹ H NM 1의 SNR을보고도입 마이크로 코일 방식의 SNR에도 약간 낮은 자기장에서의 7.2 부피에 대해 25의 값을 보였다 수돗물 R,.

현대 물질의 물리와 화학에 흥미 진진한 새로운 통찰력을 약속 많은 응용 프로그램을 추구 할 수 고감도 세포와 모루 NMR의 일에이 새로운 접근 방식. 하나는 작은 크기 culet 요구 훨씬 높은 압력 관심 경우에는 항상 같은 감도 및 해상도는 궁극적으로, 특히, NMR의 적용을 제한한다. 그런 다음, 하나는 더 작은 RF 코​​일과 셀 설계를 최적화뿐만 아니라, 핵 분극을 증가시키기위한 방법에 대해 생각뿐만 아니라 있습니다.

프로토콜

1 설치 및 6H-SiC를 대형 콘 Boehler 형 모루의 조심

1. 장착 도구의 피스톤과 XY 판을 수정하고 휴식 공간에서 Boehler 형 받침대를 삽입합니다.
2. 확실히 각 받침대는 받침 플레이트에 단단히 앉아합니다.
3. (예 Stycast 1266)는, 자신에게 모두 좌석 앤빌 접착제, 에폭시 수지를 사용. RT에서 12 시간 또는 2 시간 동안 노에서 65 ºC위한 치료.
4. 충분한 모루 정렬의 경우, 백킹 플레이트를 정렬하고 두 받침대의 병렬 처리를 모니터하기 위해 M1 세트 스크류를 사용합니다. 앤빌은 비평 것으로 발견된다면, 에폭시 수지를 제거하고, 포인트 120에서 다시 시작.

2 가스켓 준비

1. 어닐링 구리 - 수의 칩으로 드릴 1mm 구멍 황동 가이드 핀 (% w 구리 (98)는, 2 중량 %, 0.5 mm의 두께로한다).
2. GUID의 역할을하는, 앤빌 따라 분포되는 구멍으로 세 5mm 1 mm 직경의 비 절연 된 구리 와이어의 긴 조각을 삽입구리가 되실 가스켓 전자 핀.
3. 가이드 핀과 세포체 사이의 적절한 접지를 확인합니다. 통상적으로, 약 0.1 Ω의 DC 저항은 바람직하다. 전도성 실버 소량의 응용 프로그램을 개선 할 수 있습니다.
4. 모이 사 나이트 모루 위에 구리가 되실 칩을 삽입하고 셀을 닫습니다.
5. 유압 프레스를 사용하여 극대화 된 작업의 안정성을 위해 culet 직경의 약 8 ^일에 가스켓 압력을. 마이크로 미터 캘리퍼스를 사용하여 들여 쓰기의 실제 두께를 모니터링합니다.
6. 들여 쓰기의 중심에 적절한 직경 (culet 직경의 ½)의 구멍을 뚫습니다.
7. 사전 들여 가스켓으로이 채널을 개척. 채널은 마이크로 코일 18 μm의 구리 와이어를 수용 할 수있을 정도로 충분히 깊게해야한다.
8. 강화로에서 2 시간 3에 대한 617 K에서 제조 된 가스켓.

3 준비 및 마이크로 코일의 로딩

1. 1mm 구리 와이어의 조각을 사용하여피스톤의 관통 구를 통해 스레드 ㄹ. 에폭시 수지와 구리 와이어를 고정하여 단계 1.3에 따라 치료.
2. 마이크로 코일 원하는 직경이 송곳 (물질의 목록 참조)을 선택하고 회전 척 - 한 쌍의 죠 (jaw) 사이에 고정합니다.
3. 접착제 다른 쪽 끝을 잡고, 척 턱 위에 18 μm의 구리 와이어의 한쪽 끝 (SCB에서 예를 들면, 니스와 함께, 물질의 목록 참조)와 와이어가 송곳에 코일되도록 척 턱을 돌립니다.
4. 마이크로 코일을 원하는 형상의 경우뿐만 아니라, 접착제에 와이어의 타단을 고정한다.
5. 권선 위에 소량을인가함으로써 상기 코일을 고정하기 위해 희석 된 바니쉬를 사용한다.
6. 테프론 테이프를 사용하여 송곳에서 신중하게 코일을 제거합니다.
7. 개스킷의 채널에서, 어떠한 첨가물없이, 일부 에폭시 수지 (1.3 포인트 참조) 놓는다.
8. 샘플 챔버 내부의 마이크로 코일을 배치하고 채널로 리드를 고정합니다.
9. EPOX을 치료Y 수지있어서 1.3로 진행한다.
10. 열선에 마이크로 코일과 가이드 핀에 다른 하나의 리드를 납땜.
11. 각 접합의 상단에 약간은 도전성 페이스트를 추가합니다. 일반적으로 치료하는 것은 어떤 분 정도 소요됩니다.
12. 에폭시 수지의 양쪽과 소량의 접합부를 밀봉.
13. 130 단계에있어서, 에폭시 경화.
14. 이제, 각 단계 후에 코일의 DC 저항을 확인.
15. 마이크로 코일의 샘플을 놓습니다. 불필요한 신체 접촉은 코일을 파괴 할 수 있음을주의하십시오.
16. 압력 보정을위한 시료에 미세하게 분쇄 루비 파우더를 추가합니다.
17. 마지막으로, 적절한 압력 매체와 샘플 챔버 홍수. 9 GPa로까지 거의 - 수압 조건을 보장하기 위해 파라핀 오일을 사용합니다.
18. 조심스럽게 셀을 닫습니다.

(4) 적용 및 압력 모니터링

1. 처음에는 약간 M3 육각 접시 머리 나사를 조입니다.
2. 가압은 바이스에 셀을 수정합니다. 이제, 조마주 보는 두 개의 나사 페어.
3. 적절한 셀 홀더에 압력 셀을 놓습니다.
4. 레이저 빔이 샘플 챔버에 도달 할 수 있도록 셀의 위치를​​ 조정한다.
5. 레이저 빔에 루비 파우더 초점을 미세 조정 테이블을 사용합니다.
6. 분광계 해당 소프트웨어를 사용하여 루비 광 발광 스펙트럼을 모니터한다.
7. 루비 R1과 R2 라인의 관찰 된 스펙트럼 변화에서 샘플 공동의 실제 압력의 압축을 풉니 다.
8. NMR 측정이 시작되기 전에 최소 12 시간 동안 세포를 가압 평형.

5 수행 NMR 실험

1. 일반적인 NMR 프로브에 압력 셀을 탑재합니다. 기계 작업장에서 적절한 셀 홀더 제조.
2. 프로브에 열선을 납땜. 셀과 프로브 사이의 적절한 전기적 접촉을 확인합니다.
3. 이제 표준 NMR 실험을 수행합니다. 마이크로 코일 VER 사실에주의를 집중인가 고주파 전력에 민감한 Y.

결과

그림 3은 일반적인 NMR 프로브 상에 완전히 조립 된 압력 셀, 배선 및 설치가 같이 방법을 보여줍니다. 다음에 몇 가지 실험 이점과 도입 기술의 한계에 대한 광범위한 개요를 수집하는 독자를 활성화해야하는 검토 될 것이다.

그림 고압 NMR에 대한 다양한 접근 방법 1 :

토론

기가 파스칼 압력에서 NMR을 수행 할 수있는 새로운 유망 방법에 대하여 설명 하였다. 이 방법으로 인해 우수한 감도와 해상도로 NMR 실험의 폭 넓은 다양한 문을 엽니 다. 그럼에도 불구하고, 프로토콜 절에 설명 된 여러 단계의 실험 결과에 결정적이다. 특히, 마이크로 코일의 준비 및 구리 되실 가스켓에서의 고정이 매우 어렵고 경험이 필요합니다. 다음에, 몇 가지 중요한 팁은 기술의 최초의 성?...

자료

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