Diamantjustering gjør høytrykksmagnetometri av superledere mulig – Physics World

Fysikere i USA og Kina har utviklet en teknikk for å gjøre pålitelige målinger av de magnetiske egenskapene til materialer holdt under svært høye trykk. Metoden deres kan hjelpe forskere med å oppdage materialer som er superledere ved høye temperaturer og høyt trykk.

Høytemperatursuperledning har truffet overskriftene regelmessig det siste året eller to – men ofte av feil grunner. Flere påstander om materialer som superleder ved nær eller til og med over romtemperatur har vært omstridt, og noen er trukket tilbake.

En del av problemet er at disse materialene studeres ved svært høye trykk i diamantamboltceller (DAC). En DAC komprimerer en liten prøve mellom to diamanttenner, noe som gjør det svært vanskelig å observere de karakteristiske signaturene til superledning. Det er faktisk til og med vanskelig å vite den detaljerte atomstrukturen til slike prøver.

Vanligvis må påstander om superledning støttes av to bevis. Den ene er et brå fall til null i resistiviteten til materialet når den superledende overgangen skjer. Den andre er Meissner-effekten, som er utstøtingen av et magnetfelt fra et materiale når det går inn i superledende tilstand.

Høytrykksutfordring

Å se disse samtidig ved høyt trykk i en DAC er utfordrende, sier Norman Yao fra Harvard University. «Hvordan stikker du en sonde inn i dette høytrykkskammeret? Du har bare ikke tilgang.» Resistiviteten til prøven kan måles ved å installere bittesmå ledninger. Men for å måle magnetiske effekter, omgir forskere generelt hele DAC-en med en magnetinduksjonsspole, som bare gir et gjennomsnitt for hele prøven.

Problemet er spesielt akutt for materialer som cerium- og lantan-superhydrider, som har vært fokus for mye av spenningen rundt romtemperatur-superledere. De lages vanligvis ved hjelp av en laser for å varme opp et metallflak i nærvær av en hydrogenrik forbindelse. Men det kan være vanskelig å vite hvor, ved høyt trykk, den ønskede hydridfasen har dannet seg og hvor den ikke har det. Yao forklarer at dette er grunnen til at eksperimentelle kjøringer mislykkes oftere enn ikke, fordi det ikke er noen kontinuerlig superledende region som forbinder en ledning til en annen.

Hvis prøven er svært inhomogen, kompliserer det også tolkningen av gjennomsnittlig magnetisk oppførselsdata samlet inn av en induksjonsspole. Dette er spesielt vanskelig fordi disse signalene generelt er små sammenlignet med bakgrunnsfeltet. Som et resultat er påstander om superledning ved høyt trykk ofte omstridte.

For tre år siden viste Yaos team og andre at lokale magnetiske felt kan måles med høy oppløsning ved å bruke selve DAC-diamantene. Dette gjøres ved å bruke nitrogen ledighet (NV) gitterdefekter innenfor diamantene. I disse defektene erstattes to tilstøtende karbonatomer med et nitrogenatom og et ledig gittersted.

Del spinntilstander

Hver NV har et kvantespinn som samhandler med magnetiske felt. Denne interaksjonen observeres ved hjelp av en teknikk som kalles optisk detektert magnetisk resonans. Når laserlys skinner på en NV, forårsaker det emisjon av fluorescerende lys. Hvis et mikrobølgesignal med en spesifikk resonansfrekvens også påføres NV, setter det spinnet i en spesifikk tilstand og dette reduserer mengden fluorescerende lys som sendes ut. Hvis et magnetfelt også er tilstede, deles energinivåene til den spinntilstanden. Dette betyr at reduksjonen i fluorescens skjer ved to distinkte mikrobølgefrekvenser - og separasjonen mellom disse frekvensene er proporsjonal med magnetfeltstyrken.

I prinsippet kan denne teknikken brukes til å utføre romlig oppløst magnetometri på en DAC-prøve ved å bruke implanterte NV-sentre nær spissen av en diamanttann. Fluorescensen skapes ved å skinne en laser inn i bakenden av en diamant.

"En iboende fordel med NV-teknikken er dens høye romlige oppløsning ved måling av forstyrrelsen av det påførte magnetiske feltet av den superledende fasen, i motsetning til gjennomsnittseffekten for målinger over hele prøven", sier høytrykksekspert. Mikhail Eremets ved Max Planck Institute for Chemistry i Mainz, Tyskland. "Dette tillater bruk av mye mindre prøver og potensialet til å nå høyere trykk," legger Eremets til, som har jobbet med høytemperatursuperledning i trykksatt lantansuperhydrid.

Deformerte defekter

Imidlertid er det et problem med denne magnetometriteknikken fordi høyt trykk deformerer NV-defektene på en måte som gradvis dreper magnetometrisignalet. Tidligere ble det funnet at fluorescens fra slike NV-steder forsvant rundt trykk på 50–90 GPa, som er for lavt til å danne de superledende fasene til superhydridene.

Diamantsensorer sonderer materie ved høyt trykk

Nå har Yao og kollegene funnet en løsning på dette trykkproblemet som er enkel i prinsippet, men utfordrende å konstruere. Hvis den øvre overflaten av diamanttannen er kuttet langs en bestemt krystallografisk retning, er NV-stedene justert i denne retningen. Resultatet av denne symmetrien er at trykk ikke påvirker fluorescensen. Dette har gjort det mulig for teamet å oppdage superledning innenfor spesifikke områder, så små som noen få mikron, av en prøve av ceriumsuperhydrid ved en temperatur på rundt 90 K og et trykk på 140 GPa.

Å bruke denne krystallinske orienteringen kan bidra til å løse tidligere kontroverser og unngå noen fremtidige, sier forskerne. Det kan også hjelpe forskere med å finne ut hvilke prøvesyntesebetingelser som fungerer best. Tidligere, sier Yao, var det vanskelig å bestemme den nøyaktige naturen til en prøve. Men nå, hvis målmaterialet har en eller annen magnetisk respons som en Meissner-effekt, bør det være mulig å se nøyaktig hvor det er i prøven og dermed utlede hvor effektive forskjellige syntetiske strategier er.

"Denne avbildningsevnen til teknikken vil være spesielt nyttig for in situ karakterisering av inhomogenitetene som er tilstede i disse høytemperatursuperlederne, inkludert de som er stabile nær omgivelsestrykk, sier materialforsker Russell Hemley fra University of Illinois i Chicago, som ikke var involvert i arbeidet.

Forskningen er beskrevet i Natur.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/diamond-alignment-makes-high-pressure-magnetometry-of-superconductors-possible/