Physiker in den USA und China haben eine Technik entwickelt, um die magnetischen Eigenschaften von Materialien, die unter sehr hohem Druck gehalten werden, zuverlässig zu messen. Ihre Methode könnte Forschern dabei helfen, Materialien zu entdecken, die bei hohen Temperaturen und hohen Drücken supraleitend sind.

Hochtemperatur-Supraleitung sorgte in den letzten ein, zwei Jahren regelmäßig für Schlagzeilen – oft jedoch aus den falschen Gründen. Mehrere Behauptungen über Materialien, die nahe oder sogar über Raumtemperatur supraleitend sind wurden angefochten und einige wurden zurückgezogen.

Ein Teil des Problems besteht darin, dass diese Materialien bei sehr hohen Drücken in Diamantambosszellen (DACs) untersucht werden. Ein DAC komprimiert eine winzige Probe zwischen zwei Diamantzähnen, was es sehr schwierig macht, die charakteristischen Signaturen der Supraleitung zu beobachten. Tatsächlich ist es sogar schwierig, die detaillierte Atomstruktur solcher Proben zu kennen.

Typischerweise müssen Behauptungen über Supraleitung durch zwei Beweise gestützt werden. Einer davon ist ein abrupter Abfall des spezifischen Widerstands des Materials auf Null, wenn der supraleitende Übergang auftritt. Der andere ist der Meissner-Effekt, bei dem ein Magnetfeld aus einem Material ausgestoßen wird, wenn es in den supraleitenden Zustand übergeht.

Hochdruck-Herausforderung

Diese gleichzeitig bei hohem Druck in einem DAC zu sehen, sei eine Herausforderung, sagt er Norman Yao der Harvard University. „Wie steckt man eine Sonde in diese Hochdruckkammer? Du hast einfach keinen Zugriff.“ Der spezifische Widerstand der Probe kann durch die Installation winziger Leitungen gemessen werden. Um magnetische Effekte zu messen, umgeben Forscher jedoch im Allgemeinen den gesamten DAC mit einer elektromagnetischen Induktionsspule, die lediglich einen Durchschnitt für die gesamte Probe liefert.

Besonders akut ist das Problem bei Materialien wie Cer- und Lanthan-Superhydriden, die im Mittelpunkt der Aufregung um Raumtemperatur-Supraleiter standen. Sie werden normalerweise mithilfe eines Lasers hergestellt, um eine Metallflocke in Gegenwart einer wasserstoffreichen Verbindung zu erhitzen. Es kann jedoch schwierig sein zu wissen, wo sich bei hohem Druck die gewünschte Hydridphase gebildet hat und wo nicht. Yao erklärt, dass Versuchsläufe aus diesem Grund häufig scheitern, weil es keinen kontinuierlichen supraleitenden Bereich gibt, der eine Leitung mit einer anderen verbindet.

Wenn die Probe sehr inhomogen ist, erschwert dies auch die Interpretation der von einer Induktionsspule gesammelten durchschnittlichen magnetischen Verhaltensdaten. Dies ist besonders schwierig, da diese Signale im Vergleich zum Hintergrundfeld im Allgemeinen winzig sind. Daher sind Behauptungen über Supraleitung bei hohem Druck oft umstritten.

Vor drei Jahren zeigten Yaos Team und andere, dass lokale Magnetfelder mithilfe der DAC-Diamanten selbst mit hoher Auflösung gemessen werden können. Dies geschieht durch die Verwendung Stickstoffleerstellen (NV)-Gitterdefekte innerhalb der Diamanten. Bei diesen Defekten werden zwei benachbarte Kohlenstoffatome durch ein Stickstoffatom und einen freien Gitterplatz ersetzt.

Geteilte Spin-Zustände

Jedes NV hat einen Quantenspin, der mit Magnetfeldern interagiert. Diese Wechselwirkung wird mithilfe einer Technik beobachtet, die als optisch detektierte Magnetresonanz bezeichnet wird. Wenn Laserlicht auf einen NV fällt, löst es die Emission von Fluoreszenzlicht aus. Wird zusätzlich ein Mikrowellensignal mit einer bestimmten Resonanzfrequenz an den NV angelegt, versetzt es den Spin in einen bestimmten Zustand und reduziert dadurch die Menge des emittierten Fluoreszenzlichts. Wenn zusätzlich ein Magnetfeld vorhanden ist, werden die Energieniveaus dieses Spinzustands aufgespalten. Dies bedeutet, dass die Verringerung der Fluoreszenz bei zwei unterschiedlichen Mikrowellenfrequenzen erfolgt – und der Abstand zwischen diesen Frequenzen proportional zur Magnetfeldstärke ist.

Im Prinzip könnte diese Technik zur Durchführung ortsaufgelöster Magnetometrie an einer DAC-Probe unter Verwendung implantierter NV-Zentren in der Nähe der Spitze eines Diamantzahns verwendet werden. Die Fluoreszenz wird erzeugt, indem ein Laser auf die Rückseite eines Diamanten gerichtet wird.

„Ein inhärenter Vorteil der NV-Technik ist ihre hohe räumliche Auflösung bei der Messung der Störung des angelegten Magnetfelds durch die supraleitende Phase, im Gegensatz zum Mittelungseffekt bei Messungen über die gesamte Probe“, sagt der Hochdruckexperte Michail Eremets vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz, Deutschland. „Dies ermöglicht die Verwendung viel kleinerer Proben und das Potenzial, höhere Drücke zu erreichen“, fügt Eremets hinzu, der an Hochtemperatur-Supraleitung in unter Druck stehendem Lanthan-Superhydrid gearbeitet hat.

Deformierte Mängel

Allerdings gibt es bei dieser Magnetometrietechnik ein Problem, da hoher Druck die NV-Defekte so verformt, dass das Magnetometriesignal allmählich verloren geht. Zuvor wurde festgestellt, dass die Fluoreszenz solcher NV-Stellen bei Drücken von 50–90 GPa verschwindet, was zu niedrig ist, um die supraleitenden Phasen der Superhydride zu bilden.

Jetzt haben Yao und seine Kollegen eine Lösung für dieses Druckproblem gefunden, die im Prinzip einfach, aber technisch schwierig ist. Wenn die Oberseite des Diamantzahns entlang einer bestimmten kristallographischen Richtung geschnitten wird, sind die NV-Stellen in dieser Richtung ausgerichtet. Das Ergebnis dieser Symmetrie ist, dass der Druck die Fluoreszenz nicht beeinflusst. Dies ermöglichte es dem Team, die Supraleitung in bestimmten Bereichen von nur wenigen Mikrometern in einer Cer-Superhydrid-Probe bei einer Temperatur von etwa 90 K und einem Druck von 140 GPa nachzuweisen.

Die Verwendung dieser kristallinen Ausrichtung könnte dazu beitragen, vergangene Kontroversen zu lösen und einige zukünftige zu vermeiden, sagen die Forscher. Es könnte Forschern auch dabei helfen, herauszufinden, welche Probensynthesebedingungen am besten funktionieren. Früher, sagt Yao, sei es schwierig gewesen, die genaue Beschaffenheit einer Probe zu bestimmen. Wenn das Zielmaterial jedoch eine magnetische Reaktion wie einen Meissner-Effekt aufweist, sollte es möglich sein, genau zu erkennen, wo es sich in der Probe befindet, und daraus abzuleiten, wie effektiv verschiedene Synthesestrategien sind.

„Diese Bildgebungsfähigkeit der Technik wird besonders nützlich sein für in situ Charakterisierung der Inhomogenitäten, die in diesen Hochtemperatursupraleitern vorhanden sind, einschließlich solcher, die nahe Umgebungsdruck stabil sind“, sagt der Materialwissenschaftler Russel Hemley von der University of Illinois in Chicago, der nicht an der Arbeit beteiligt war.

Die Forschung ist beschrieben in Natur.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/diamond-alignment-makes-high-pressure-magnetometry-of-superconductors-possible/