Teemantjoonistus teeb võimalikuks ülijuhtide kõrgsurvemagnetomeetria – Physics World

USA ja Hiina füüsikud on välja töötanud meetodi väga kõrge rõhu all hoitavate materjalide magnetiliste omaduste usaldusväärseks mõõtmiseks. Nende meetod võib aidata teadlastel avastada materjale, mis on kõrgel temperatuuril ja kõrgel rõhul ülijuhid.

Kõrgtemperatuuriline ülijuhtivus on viimase aasta või kahe jooksul regulaarselt uudiste pealkirju tabanud, kuid sageli valedel põhjustel. Mitmed väited materjalide kohta, mis toatemperatuuril või isegi kõrgemal ülijuhtivad on vaidlustatud ja mõned neist on tagasi võetud.

Üks osa probleemist on see, et neid materjale uuritakse teemant-anvil cell (DAC) väga kõrgel rõhul. DAC surub kahe teemanthamba vahele pisikese proovi, mis muudab ülijuhtivuse iseloomulike tunnuste jälgimise väga keeruliseks. Tõepoolest, on isegi keeruline teada selliste proovide üksikasjalikku aatomistruktuuri.

Tavaliselt tuleb ülijuhtivuse väiteid toetada kahe tõendiga. Üks on ülijuhtiva ülemineku toimumisel materjali eritakistuse järsk langus nullini. Teine on Meissneri efekt, mis kujutab endast ülijuhtivasse olekusse sattudes materjalist magnetvälja väljutamist.

Kõrgsurve väljakutse

Nende samaaegne nägemine kõrge rõhu all DAC-is on keeruline, ütleb Norman Yao Harvardi ülikoolist. „Kuidas torgata sond sellesse kõrgsurvekambrisse? Teil pole lihtsalt juurdepääsu." Proovi takistust saab mõõta pisikeste juhtmete paigaldamisega. Kuid magnetiliste efektide mõõtmiseks ümbritsevad teadlased üldiselt kogu DAC-i solenoidi induktsioonmähisega, mis annab kogu proovi keskmise.

Probleem on eriti terav selliste materjalide puhul nagu tseerium ja lantaan superhüdriidid, mis on olnud suure osa toatemperatuuril olevate ülijuhtide põnevuse keskmes. Tavaliselt valmistatakse need laseriga, et kuumutada metallihelbeid vesinikurikka ühendi juuresolekul. Kuid võib olla raske teada, kus kõrge rõhu korral on soovitud hüdriidifaas moodustunud ja kus mitte. Yao selgitab, et seetõttu ebaõnnestuvad katsed sagedamini kui mitte, kuna puudub pidev ülijuhtiv piirkond, mis ühendaks ühte juhet teisega.

Kui proov on väga ebahomogeenne, raskendab see ka induktsioonmähise poolt kogutud keskmiste magnetkäitumise andmete tõlgendamist. See on eriti keeruline, kuna need signaalid on taustaväljaga võrreldes üldiselt väikesed. Seetõttu on väited ülijuhtivuse kohta kõrgel rõhul sageli vaieldavad.

Kolm aastat tagasi näitasid Yao meeskond ja teised, et kohalikke magnetvälju saab mõõta kõrge eraldusvõimega, kasutades DAC-teemante. Seda tehakse kasutades lämmastiku vakantsi (NV) võre defektid teemantide sees. Nendes defektides on kaks kõrvuti asetsevat süsinikuaatomit asendatud lämmastikuaatomi ja vaba võrekohaga.

Split spin olekud

Igal NV-l on kvantspinn, mis interakteerub magnetväljadega. Seda interaktsiooni jälgitakse tehnikaga, mida nimetatakse optiliselt tuvastatud magnetresonantsiks. Kui laservalgus kiirgab NV-le, põhjustab see fluorestsentsvalguse emissiooni. Kui NV-le rakendatakse ka kindla resonantssagedusega mikrolainesignaali, viib see spinni kindlasse olekusse ja see vähendab kiiratava fluorestsentsvalguse hulka. Kui esineb ka magnetväli, jagunevad selle pöörlemisoleku energiatasemed. See tähendab, et fluorestsentsi vähenemine toimub kahel erineval mikrolainesagedusel – ja nende sageduste vaheline eraldus on võrdeline magnetvälja tugevusega.

Põhimõtteliselt saab seda tehnikat kasutada DAC-proovi ruumiliselt lahutatud magnetomeetria läbiviimiseks, kasutades teemanthamba otsa lähedal asuvaid implanteeritud NV-keskusi. Fluorestsents luuakse laseriga teemandi tagumisse otsa valgustades.

"NV-tehnika loomupärane eelis on selle kõrge ruumiline eraldusvõime ülijuhtiva faasi poolt rakendatava magnetvälja häiringu mõõtmisel, erinevalt kogu proovi mõõtmiste keskmistavast efektist," ütleb kõrgrõhuekspert. Mihhail Eremets Max Plancki Keemiainstituudis Mainzis, Saksamaal. "See võimaldab kasutada palju väiksemaid proove ja saavutada suuremat rõhku," lisab Eremets, kes on töötanud survestatud lantaani superhüdriidi kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse kallal.

Deformeerunud defektid

Selle magnetomeetria tehnikaga on aga probleem, kuna kõrge rõhk deformeerib NV defekte viisil, mis järk-järgult hävitab magnetomeetria signaali. Varem leiti, et selliste NV-saitide fluorestsents kaob rõhul 50–90 GPa, mis on liiga madal, et moodustada superhüdriidide ülijuhtivaid faase.

Teemantsensorid analüüsivad ainet kõrgel rõhul

Nüüd on Yao ja tema kolleegid leidnud lahenduse sellele rõhuprobleemile, mis on põhimõtteliselt lihtne, kuid insenerile keeruline. Kui teemanthamba ülemine pind lõigatakse mööda ühte kindlat kristallograafilist suunda, joonduvad NV saidid selles suunas. Selle sümmeetria tulemuseks on see, et rõhk ei mõjuta fluorestsentsi. See on võimaldanud meeskonnal tuvastada tseerium superhüdriidi proovi ülijuhtivust teatud piirkondades, mis on vaid mõne mikroni suurused, temperatuuril umbes 90 K ja rõhul 140 GPa.

Selle kristalse orientatsiooni kasutamine võib aidata lahendada mineviku vaidlusi ja vältida mõningaid tulevasi vaidlusi, väidavad teadlased. Samuti võib see aidata teadlastel kindlaks teha, millised proovi sünteesi tingimused töötavad kõige paremini. Yao ütleb, et varem oli proovi täpset olemust raske kindlaks teha. Kuid nüüd, kui sihtmaterjalil on magnetreaktsioon, näiteks Meissneri efekt, peaks olema võimalik täpselt kindlaks teha, kus see proovis asub, ja järeldada, kui tõhusad on erinevad sünteetilised strateegiad.

"See tehnika pildistamisvõimalus on eriti kasulik kohapealne nendes kõrge temperatuuriga ülijuhtides esinevate ebahomogeensuse iseloomustus, sealhulgas need, mis on ümbritseva rõhu lähedal stabiilsed, "ütleb materjaliteadlane Russell Hemley Chicago Illinoisi ülikoolist, kes selle tööga ei osalenud.

Uuringut kirjeldatakse artiklis loodus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/diamond-alignment-makes-high-pressure-magnetometry-of-superconductors-possible/