미국과 중국의 물리학자들은 매우 높은 압력에서 유지되는 물질의 자기 특성을 신뢰할 수 있게 측정하는 기술을 고안했습니다. 그들의 방법은 연구자들이 고온 및 고압에서 초전도체인 물질을 발견하는 데 도움이 될 수 있습니다.

고온 초전도체는 지난 1~2년 동안 정기적으로 헤드라인을 장식했지만 종종 잘못된 이유로 인해 다루어졌습니다. 실온에 가깝거나 심지어 실온보다 높은 온도에서도 초전도하는 물질에 대한 여러 주장 이의가 제기되었으며 일부는 철회되었습니다..

문제 중 하나는 이러한 재료가 DAC(다이아몬드 앤빌 셀)의 매우 높은 압력에서 연구된다는 것입니다. DAC는 두 개의 다이아몬드 톱니 사이에 작은 샘플을 압축하므로 초전도성의 특징적인 특징을 관찰하기가 매우 어렵습니다. 실제로 그러한 샘플의 상세한 원자 구조를 아는 것은 심지어 까다롭습니다.

일반적으로 초전도성에 대한 주장은 두 가지 증거로 뒷받침되어야 합니다. 하나는 초전도 전이가 일어나면서 물질의 저항률이 갑자기 0으로 떨어지는 것입니다. 다른 하나는 초전도 상태에 들어갈 때 물질에서 자기장이 방출되는 마이스너 효과(Meissner effect)입니다.

고압적인 도전

DAC의 높은 압력에서 이러한 현상을 동시에 확인하는 것은 어려운 일입니다. 노먼 야오 하버드 대학의. “이 고압 챔버에 프로브를 어떻게 붙이나요? 당신은 접근 권한이 없습니다.” 샘플의 저항률은 작은 리드를 설치하여 측정할 수 있습니다. 그러나 자기 효과를 측정하기 위해 연구자들은 일반적으로 전체 샘플에 대한 평균을 제공하는 솔레노이드 유도 코일로 전체 DAC를 둘러쌉니다.

이 문제는 상온 초전도체에 대한 많은 관심의 초점이 되어온 세륨 및 란타늄 초수소화물과 같은 물질의 경우 특히 심각합니다. 그들은 일반적으로 수소가 풍부한 화합물이 있는 상태에서 금속 조각을 가열하기 위해 레이저를 사용하여 만들어집니다. 그러나 고압에서 원하는 수소화물 상이 형성된 곳과 형성되지 않은 곳을 아는 것은 어려울 수 있습니다. Yao는 하나의 리드를 다른 리드로 연결하는 연속적인 초전도 영역이 없기 때문에 실험 실행이 실패하는 경우가 더 자주 발생하는 이유라고 설명합니다.

샘플이 매우 불균일한 경우 유도 코일에 의해 수집된 평균 자기 동작 데이터의 해석도 복잡해집니다. 이러한 신호는 일반적으로 배경 필드에 비해 작기 때문에 이는 특히 까다롭습니다. 결과적으로 고압에서의 초전도성에 대한 주장은 종종 논쟁의 여지가 있습니다.

3년 전 Yao의 팀과 다른 연구진은 DAC 다이아몬드 자체를 사용하여 국소 자기장을 고해상도로 측정할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 다음을 사용하여 수행됩니다. 질소 결손(NV) 격자 결함 다이아몬드 안에. 이러한 결함에서는 두 개의 인접한 탄소 원자가 질소 원자와 빈 격자 위치로 대체됩니다.

분할 회전 상태

각 NV에는 자기장과 상호 작용하는 양자 스핀이 있습니다. 이러한 상호 작용은 광학적으로 감지된 자기 공명이라는 기술을 사용하여 관찰됩니다. NV에 레이저 빛을 비추면 형광등이 방출됩니다. NV에도 특정 공진 주파수의 마이크로파 신호를 가하면 스핀이 특정 상태로 바뀌고 이로 인해 방출되는 형광의 양이 줄어듭니다. 자기장도 존재하면 해당 스핀 상태의 에너지 수준이 분할됩니다. 이는 형광의 감소가 두 개의 서로 다른 마이크로파 주파수에서 발생하고 해당 주파수 사이의 분리가 자기장 강도에 비례한다는 것을 의미합니다.

원칙적으로 이 기술은 다이아몬드 톱니 끝 근처에 이식된 NV 센터를 사용하여 DAC 샘플에서 공간 분해 자기 측정을 수행하는 데 사용될 수 있습니다. 다이아몬드의 뒷면에 레이저를 비추면 형광이 생성됩니다.

"NV 기술의 고유한 장점은 전체 샘플에 대한 측정에 대한 평균화 효과와는 반대로 초전도 단계에 의해 적용된 자기장의 섭동을 측정할 때 높은 공간 분해능입니다."라고 고압 전문가는 말합니다. 미하일 에레메츠 독일 마인츠 막스플랑크 화학연구소 소장. 가압 란타늄 초수소화물의 고온 초전도성에 대해 연구한 Eremets는 “이를 통해 훨씬 더 작은 샘플을 사용할 수 있고 더 높은 압력에 도달할 수 있는 가능성이 있습니다.”라고 덧붙였습니다.

변형된 결함

그러나 이 자기 측정 기술에는 고압이 자기 측정 신호를 점차적으로 없애는 방식으로 NV 결함을 변형시키기 때문에 문제가 있습니다. 이전에는 이러한 NV 사이트의 형광이 50-90 GPa의 압력 근처에서 사라지는 것으로 밝혀졌는데, 이는 초수소화물의 초전도 단계를 형성하기에는 너무 낮습니다.

이제 Yao와 동료들은 원리적으로는 간단하지만 엔지니어링하기 어려운 이 압력 문제에 대한 해결책을 찾았습니다. 다이아몬드 톱니의 윗면이 특정 결정학적 방향을 따라 절단되면 NV 사이트는 이 방향으로 정렬됩니다. 이 대칭의 결과는 압력이 형광에 영향을 미치지 않는다는 것입니다. 이를 통해 팀은 약 90K의 온도와 140GPa의 압력에서 초수소화 세륨 샘플의 몇 마이크론만큼 작은 특정 영역 내에서 초전도성을 감지할 수 있었습니다.

이 결정 방향을 사용하면 과거의 논란을 해결하고 미래의 논란을 피하는 데 도움이 될 수 있다고 연구원들은 말합니다. 또한 연구자들이 어떤 샘플 합성 조건이 가장 잘 작동하는지 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이전에는 샘플의 정확한 특성을 결정하는 것이 어려웠다고 Yao는 말합니다. 그러나 이제 표적 물질에 마이스너 효과와 같은 자기 반응이 있는 경우 시료 내 해당 물질이 어디에 있는지 정확히 파악하여 다양한 합성 전략이 얼마나 효과적인지 추론할 수 있습니다.

“이 기술의 이미징 기능은 특히 다음과 같은 경우에 유용할 것입니다. 현장 주변 압력 근처에서 안정한 초전도체를 포함하여 이러한 고온 초전도체에 존재하는 불균일성을 특성화하는 것"이라고 재료 과학자는 말합니다. 러셀 헴리 작업에 참여하지 않은 시카고 일리노이 대학교의 교수입니다.

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 자연.

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