Алмазне центрування робить можливим магнітометрію високого тиску надпровідників – Physics World

Фізики зі США та Китаю розробили техніку надійного вимірювання магнітних властивостей матеріалів, які знаходяться під дуже високим тиском. Їхній метод може допомогти дослідникам виявити матеріали, які є надпровідниками при високих температурах і тиску.

Високотемпературна надпровідність регулярно потрапляла в заголовки газет протягом останніх року чи двох, але часто з неправильних причин. Кілька тверджень щодо матеріалів, які є надпровідними при температурі, близькій до кімнатної або навіть вищій були оскаржені, а деякі були відкликані.

Частина проблеми полягає в тому, що ці матеріали досліджуються при дуже високому тиску в алмазних комірках (DAC). ЦАП стискає крихітний зразок між двома алмазними зубцями, що дуже ускладнює спостереження характерних ознак надпровідності. Дійсно, навіть важко дізнатися детальну атомну структуру таких зразків.

Як правило, заяви про надпровідність повинні підтверджуватися двома доказами. Одним з них є різке падіння до нуля питомого опору матеріалу, коли відбувається надпровідний перехід. Інший – це ефект Мейснера, який є витісненням магнітного поля з матеріалу, коли він переходить у надпровідний стан.

Виклик високого тиску

Побачити їх одночасно під високим тиском у ЦАП складно, каже Норман Яо Гарвардського університету. «Як засунути зонд у цю камеру високого тиску? Ви просто не маєте доступу». Питомий опір зразка можна виміряти, встановивши крихітні дроти. Але для вимірювання магнітних ефектів дослідники зазвичай оточують весь ЦАП індукційною котушкою соленоїда, яка дає лише середнє значення для всього зразка.

Проблема є особливо гострою для таких матеріалів, як супергідриди церію та лантану, які були в центрі хвилювання щодо надпровідників кімнатної температури. Зазвичай вони виготовляються за допомогою лазера для нагрівання луски металу в присутності збагаченої воднем сполуки. Але може бути важко визначити, де під високим тиском утворилася потрібна гідридна фаза, а де ні. Яо пояснює, що саме тому експерименти частіше зазнають невдач, оскільки немає безперервної надпровідної області, що з’єднує один кабель з іншим.

Якщо зразок дуже неоднорідний, це також ускладнює інтерпретацію даних середньої магнітної поведінки, зібраних індукційною котушкою. Це особливо складно, тому що ці сигнали, як правило, крихітні порівняно з фоновим полем. Як результат, заяви про надпровідність при високому тиску часто суперечливі.

Три роки тому команда Яо та інші показали, що локальні магнітні поля можна виміряти з високою роздільною здатністю за допомогою самих алмазів DAC. Це робиться за допомогою вакансії азоту (NV) дефекти решітки в межах діамантів. У цих дефектах два сусідніх атоми вуглецю заміщені атомом азоту та вакантним вузлом решітки.

Розділені спінові стани

Кожен NV має квантовий спін, який взаємодіє з магнітними полями. Ця взаємодія спостерігається за допомогою методу, який називається оптично детектованим магнітним резонансом. Коли лазерне світло потрапляє на NV, це викликає випромінювання флуоресцентного світла. Якщо мікрохвильовий сигнал на певній резонансній частоті також подається на NV, він переводить обертання в певний стан, і це зменшує кількість випромінюваного флуоресцентного світла. Якщо також присутнє магнітне поле, рівні енергії цього спінового стану розщеплюються. Це означає, що зменшення флуоресценції відбувається на двох різних мікрохвильових частотах, а відстань між цими частотами пропорційна напруженості магнітного поля.

В принципі, цю техніку можна використовувати для виконання магнітометрії з просторовою роздільною здатністю на зразку ЦАП з використанням імплантованих NV-центрів поблизу кінчика алмазного зуба. Флуоресценція створюється лазерним освітленням задньої частини алмазу.

«Невід’ємною перевагою методу NV є його висока просторова роздільна здатність при вимірюванні збурень прикладеного магнітного поля надпровідною фазою, на відміну від ефекту усереднення для вимірювань по всьому зразку», — каже експерт з високого тиску. Михайло Єремець Інституту хімії Макса Планка в Майнці, Німеччина. «Це дозволяє використовувати набагато менші зразки та потенціал для досягнення більш високого тиску», — додає Еремец, який працював над високотемпературною надпровідністю в супергідриді лантану під тиском.

Деформовані дефекти

Однак існує проблема з цією технікою магнітометрії, оскільки високий тиск деформує NV-дефекти таким чином, що поступово вбиває сигнал магнітометрії. Раніше було виявлено, що флуоресценція з таких сайтів NV зникає при тиску 50–90 ГПа, що є занадто низьким для утворення надпровідних фаз супергідридів.

Алмазні датчики досліджують речовину під високим тиском

Тепер Яо та його колеги знайшли рішення цієї проблеми тиску, яке є простим у принципі, але складним для розробки. Якщо верхню поверхню алмазного зуба розрізати вздовж одного конкретного кристалографічного напрямку, сайти NV вирівнюються в цьому напрямку. Результатом цієї симетрії є те, що тиск не впливає на флуоресценцію. Це дозволило команді виявити надпровідність у певних ділянках зразка супергідриду церію розміром у кілька мікрон при температурі близько 90 К і тиску 140 ГПа.

Використання цієї кристалічної орієнтації може допомогти вирішити минулі суперечки та уникнути деяких майбутніх, кажуть дослідники. Це також може допомогти дослідникам визначити, які умови синтезу зразків працюють найкраще. Раніше, каже Яо, було важко визначити точну природу зразка. Але тепер, якщо цільовий матеріал має певну магнітну реакцію, як-от ефект Мейснера, можна буде точно визначити, де він знаходиться у зразку, і таким чином зробити висновок про ефективність різних синтетичних стратегій.

«Ця можливість техніки буде особливо корисна для отримання зображень на місці характеристика неоднорідностей, які присутні в цих високотемпературних надпровідниках, включно з тими, які є стабільними поблизу тиску навколишнього середовища», - каже матеріалознавець Рассел Хемлі Університету Іллінойсу в Чикаго, який не брав участі в роботі.

Дослідження описано в природа.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/diamond-alignment-makes-high-pressure-magnetometry-of-superconductors-possible/