Timanttikohdistus mahdollistaa suprajohteiden korkeapainemagnetometrian – Physics World

Fyysikot Yhdysvalloissa ja Kiinassa ovat kehittäneet tekniikan, jolla voidaan tehdä luotettavia mittauksia erittäin korkeissa paineissa pidettyjen materiaalien magneettisista ominaisuuksista. Heidän menetelmänsä voisi auttaa tutkijoita löytämään materiaaleja, jotka ovat suprajohteita korkeissa lämpötiloissa ja korkeissa paineissa.

Korkean lämpötilan suprajohtavuus on noussut otsikoihin säännöllisesti viimeisen vuoden tai kahden aikana – mutta usein vääristä syistä. Useita väitteitä materiaaleista, jotka johtavat huoneenlämpötilassa tai jopa sen yläpuolella on kiistetty, ja osa niistä on peruutettu.

Osa ongelmaa on, että näitä materiaaleja tutkitaan erittäin korkeissa paineissa timanttialasin soluissa (DAC). DAC puristaa pienen näytteen kahden timanttihampaan väliin, mikä tekee erittäin vaikeaksi havaita suprajohtavuuden tunnusmerkit. Itse asiassa on jopa hankalaa tietää tällaisten näytteiden yksityiskohtainen atomirakenne.

Tyypillisesti suprajohtavuutta koskevat väitteet on tuettava kahdella todisteella. Yksi on materiaalin ominaisvastuksen äkillinen pudotus nollaan suprajohtavan siirtymän tapahtuessa. Toinen on Meissner-ilmiö, joka on magneettikentän karkottaminen materiaalista, kun se tulee suprajohtavaan tilaan.

Korkeapainehaaste

Näiden samanaikainen näkeminen korkeassa paineessa DAC:ssa on haastavaa, sanoo Norman Yao Harvardin yliopistosta. "Kuinka työnnät anturin tähän korkeapainekammioon? Sinulla ei vain ole pääsyä." Näytteen ominaisvastus voidaan mitata asentamalla pieniä johtimia. Mutta magneettisten vaikutusten mittaamiseksi tutkijat ympäröivät yleensä koko DAC:n solenoidin induktiokelalla, joka antaa vain keskiarvon koko näytteelle.

Ongelma on erityisen akuutti sellaisille materiaaleille kuin cerium- ja lantaanisuperhydridit, jotka ovat olleet suuren osan huoneenlämpöisten suprajohteiden jännityksen kohteena. Ne valmistetaan yleensä laserilla metallihiutaleen lämmittämiseksi vetyrikkaan yhdisteen läsnä ollessa. Mutta voi olla vaikea tietää, missä korkeassa paineessa haluttu hydridifaasi on muodostunut ja missä ei. Yao selittää, että tästä syystä kokeelliset ajot epäonnistuvat useammin kuin ei, koska ei ole jatkuvaa suprajohtavaa aluetta, joka yhdistäisi yhden johdon toiseen.

Jos näyte on erittäin epähomogeeninen, se myös vaikeuttaa induktiokäämin keräämien keskimääräisten magneettisen käyttäytymistietojen tulkintaa. Tämä on erityisen hankalaa, koska nuo signaalit ovat yleensä pieniä verrattuna taustakenttään. Tämän seurauksena väitteet suprajohtavuudesta korkeassa paineessa ovat usein kiistanalaisia.

Kolme vuotta sitten Yaon tiimi ja muut osoittivat, että paikallisia magneettikenttiä voidaan mitata korkealla resoluutiolla käyttämällä itse DAC-timantteja. Tämä tehdään käyttämällä typpivakanssin (NV) hilaviat timanttien sisällä. Näissä vioissa kaksi vierekkäistä hiiliatomia on korvattu typpiatomilla ja tyhjällä hilapaikalla.

Split spin tilat

Jokaisella NV:llä on kvanttispin, joka on vuorovaikutuksessa magneettikenttien kanssa. Tämä vuorovaikutus havaitaan käyttämällä optisesti havaittua magneettiresonanssia. Kun laservaloa loistaa NV:lle, se aiheuttaa fluoresoivan valon säteilyn. Jos NV:hen kohdistetaan myös tietyllä resonanssitaajuudella oleva mikroaaltosignaali, se asettaa spinin tiettyyn tilaan ja tämä vähentää säteilevän fluoresoivan valon määrää. Jos myös magneettikenttä on läsnä, sen spin-tilan energiatasot jaetaan. Tämä tarkoittaa, että fluoresenssin väheneminen tapahtuu kahdella erillisellä mikroaaltotaajuudella – ja näiden taajuuksien välinen ero on verrannollinen magneettikentän voimakkuuteen.

Periaatteessa tätä tekniikkaa voitaisiin käyttää spatiaalisesti erotetun magnetometrian suorittamiseen DAC-näytteelle käyttämällä implantoituja NV-keskuksia lähellä timanttihampaan kärkeä. Fluoresenssi saadaan aikaan loistamalla laserilla timantin takaosaan.

"NV-tekniikan luontainen etu on sen korkea avaruudellinen resoluutio mittaamaan suprajohtavan vaiheen aiheuttamaa magneettikentän häiriötä, toisin kuin koko näytteen mittausten keskiarvovaikutus", sanoo korkeapaineasiantuntija. Mihail Eremets Max Planckin kemian instituutista Mainzissa, Saksassa. "Tämä mahdollistaa paljon pienempien näytteiden käytön ja mahdollisuuden saavuttaa korkeampia paineita", lisää Eremets, joka on työskennellyt paineistetun lantaanisuperhydridin korkean lämpötilan suprajohtavuuden parissa.

Epämuodostuneet viat

Tässä magnetometriatekniikassa on kuitenkin ongelma, koska korkea paine muuttaa NV-virheitä tavalla, joka vähitellen tappaa magnetometriasignaalin. Aiemmin fluoresenssin tällaisista NV-kohdista havaittiin katoavan 50–90 GPa:n paineissa, mikä on liian alhainen muodostamaan superhydridien suprajohtavia faaseja.

Timanttianturit mittaavat materiaalia korkeissa paineissa

Nyt Yao ja kollegat ovat löytäneet ratkaisun tähän paineongelmaan, joka on periaatteessa yksinkertainen, mutta insinöörille haastava. Jos timanttihampaan yläpinta leikataan tiettyä kristallografista suuntaa pitkin, NV-kohdat kohdistetaan tähän suuntaan. Tämän symmetrian seurauksena paine ei vaikuta fluoresenssiin. Tämän ansiosta ryhmä on pystynyt havaitsemaan suprajohtavuuden tietyillä alueilla, jopa muutaman mikronin sisällä cerium-superhydridinäytteestä noin 90 K:n lämpötilassa ja 140 GPa:n paineessa.

Tämän kiteisen suuntauksen käyttäminen voisi auttaa ratkaisemaan menneitä kiistoja ja välttämään joitain tulevia, tutkijat sanovat. Se voisi myös auttaa tutkijoita määrittämään, mitkä näytesynteesiolosuhteet toimivat parhaiten. Aiemmin, sanoo Yao, oli vaikea määrittää näytteen tarkkaa luonnetta. Mutta nyt, jos kohdemateriaalilla on jokin magneettinen vaste, kuten Meissner-ilmiö, pitäisi olla mahdollista havaita tarkalleen missä se on näytteessä ja siten päätellä kuinka tehokkaita eri synteettiset strategiat ovat.

"Tämä tekniikan kuvantamiskyky on erityisen hyödyllinen on-site näiden korkean lämpötilan suprajohteiden epähomogeenisuuksien karakterisointi, mukaan lukien ne, jotka ovat stabiileja lähellä ympäristön painetta", sanoo materiaalitutkija Russell Hemley Chicagon Illinoisin yliopistosta, joka ei ollut mukana työssä.

Tutkimusta kuvataan luonto.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/diamond-alignment-makes-high-pressure-magnetometry-of-superconductors-possible/