Az Egyesült Államok és Kína fizikusai kidolgoztak egy technikát a nagyon nagy nyomás alatt tartott anyagok mágneses tulajdonságainak megbízható mérésére. Módszerük segíthet a kutatóknak olyan anyagok felfedezésében, amelyek magas hőmérsékleten és nagy nyomáson szupravezetők.

A magas hőmérsékletű szupravezetés az elmúlt egy-két évben rendszeresen felütötte a fejét – de gyakran rossz okokból. Számos állítás olyan anyagokról, amelyek szobahőmérsékleten vagy akár a felett is szupravezetők vitatták, és néhányat visszavontak.

A probléma egy része az, hogy ezeket az anyagokat nagyon magas nyomáson vizsgálják gyémánt üllőcellákban (DAC). A DAC két gyémántfog közé nyom egy apró mintát, ami nagyon megnehezíti a szupravezetés jellegzetes jegyeinek megfigyelését. Valójában még bonyolult is tudni az ilyen minták részletes atomszerkezetét.

A szupravezetésre vonatkozó állításokat általában két bizonyítékkal kell alátámasztani. Az egyik az anyag fajlagos ellenállásának hirtelen nullára csökkenése a szupravezető átmenet során. A másik a Meissner-effektus, ami a mágneses mező kilökődése egy anyagból, amikor az szupravezető állapotba kerül.

Nagynyomású kihívás

Ezeket egyidejűleg nagy nyomáson látni egy DAC-ban kihívást jelent, mondja Norman Yao a Harvard Egyetemen. „Hogyan lehet szondát szúrni ebbe a nagynyomású kamrába? Egyszerűen nincs hozzáférésed.” A minta ellenállása apró vezetékek felszerelésével mérhető. De a mágneses hatások mérésére a kutatók általában körülveszik a teljes DAC-t egy mágnesszelep indukciós tekercssel, amely csak egy átlagot ad a teljes mintára.

A probléma különösen akut az olyan anyagok esetében, mint a cérium és lantán szuperhidridek, amelyek a szobahőmérsékletű szupravezetőkkel kapcsolatos izgalom középpontjában állnak. Általában lézerrel állítják elő, hogy egy fémlemezt hidrogénben gazdag vegyület jelenlétében melegítsenek. De nehéz lehet tudni, hogy nagy nyomáson hol képződött a kívánt hidridfázis, és hol nem. Yao elmagyarázza, hogy ez az oka annak, hogy a kísérleti futtatások gyakrabban meghiúsulnak, mivel nincs folyamatos szupravezető régió, amely az egyik vezetéket a másikhoz kötné.

Ha a minta erősen inhomogén, az az indukciós tekercs által gyűjtött átlagos mágneses viselkedési adatok értelmezését is megnehezíti. Ez különösen bonyolult, mivel ezek a jelek általában kicsik a háttérmezőhöz képest. Ennek eredményeként a nagy nyomáson való szupravezetésre vonatkozó állítások gyakran vitatottak.

Három évvel ezelőtt Yao csapata és mások megmutatták, hogy a helyi mágneses mezők nagy felbontásban mérhetők maguknak a DAC gyémántoknak a segítségével. Ez használatával történik nitrogén üresedés (NV) rácshibák a gyémántokon belül. Ezekben a hibákban két szomszédos szénatomot egy nitrogénatom és egy üres rácshely vált fel.

Split spin állapotok

Mindegyik NV-nek van egy kvantum spinje, amely kölcsönhatásba lép a mágneses mezőkkel. Ezt a kölcsönhatást az optikailag detektált mágneses rezonancia nevű technika segítségével figyelik meg. Ha lézerfényt világítanak meg egy NV-n, az fluoreszkáló fényt bocsát ki. Ha egy meghatározott rezonanciafrekvenciájú mikrohullámú jelet is alkalmaznak az NV-re, az a spint meghatározott állapotba hozza, és ez csökkenti a kibocsátott fluoreszcens fény mennyiségét. Ha mágneses tér is jelen van, akkor az adott spin állapot energiaszintjei megoszlanak. Ez azt jelenti, hogy a fluoreszcencia csökkenése két különböző mikrohullámú frekvencián következik be – és a frekvenciák közötti elválasztás arányos a mágneses térerősséggel.

Elvileg ez a technika használható térbeli felbontású magnetometria elvégzésére DAC-mintán, a gyémántfog csúcsához közeli beültetett NV-központok használatával. A fluoreszcenciát úgy hozzuk létre, hogy egy lézert egy gyémánt hátsó végébe világítanak.

„Az NV-technika egyik rejlő előnye a nagy térbeli felbontása az alkalmazott mágneses tér szupravezető fázis általi perturbációjának mérésében, szemben a mérések átlagoló hatásával a teljes mintán” – mondja a nagynyomású szakértő. Mihail Eremets a Max Planck Kémiai Intézet munkatársa Mainzban, Németországban. „Ez lehetővé teszi sokkal kisebb minták használatát, és nagyobb nyomás elérését” – teszi hozzá Eremets, aki a nyomás alatti lantán-szuperhidrid magas hőmérsékletű szupravezetésén dolgozott.

Deformált hibák

Azonban van egy probléma ezzel a magnetometriai technikával, mert a nagy nyomás deformálja az NV hibákat oly módon, hogy fokozatosan megöli a magnetometriai jelet. Korábban azt találták, hogy az ilyen NV helyekről származó fluoreszcencia 50-90 GPa nyomás körül eltűnik, ami túl alacsony ahhoz, hogy a szuperhidridek szupravezető fázisait képezze.

A gyémánt érzékelők nagy nyomáson mérik az anyagot

Yao és munkatársai most megoldást találtak erre a nyomásproblémára, amely elvileg egyszerű, de kihívást jelent a mérnökök számára. Ha a gyémánt fog felső felületét egy adott krisztallográfiai irány mentén vágjuk, az NV helyek ebben az irányban illeszkednek. Ennek a szimmetriának az az eredménye, hogy a nyomás nem befolyásolja a fluoreszcenciát. Ez lehetővé tette a csapat számára, hogy 90 K körüli hőmérsékleten és 140 GPa nyomáson a cérium-szuperhidrid mintájának bizonyos régióiban, akár néhány mikronos szupravezetést is észleljen.

A kutatók szerint ennek a kristályos orientációnak a használata segíthet megoldani a múltbeli vitákat, és elkerülni néhány jövőbeli vitát. Segíthet a kutatóknak abban is, hogy meghatározzák, melyik mintaszintézis körülmény működik a legjobban. Korábban, mondja Yao, nehéz volt meghatározni a minta pontos természetét. De most, ha a célanyagnak van valamilyen mágneses válasza, például egy Meissner-effektus, akkor lehetővé kell tenni, hogy pontosan észrevegye, hol van a mintában, és így következtetni lehet arra, hogy a különböző szintetikus stratégiák mennyire hatékonyak.

„A technika ezen képalkotó képessége különösen hasznos lesz in situ a magas hőmérsékletű szupravezetők inhomogenitásának jellemzése, beleértve azokat is, amelyek környezeti nyomás közelében stabilak” – mondja az anyagtudós Russell Hemley a Chicagói Illinoisi Egyetem munkatársa, aki nem vett részt a munkában.

A kutatás leírása a Természet.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/diamond-alignment-makes-high-pressure-magnetometry-of-superconductors-possible/