Natuurkundigen in de VS en China hebben een techniek bedacht om betrouwbare metingen uit te voeren van de magnetische eigenschappen van materialen die onder zeer hoge druk worden gehouden. Hun methode zou onderzoekers kunnen helpen materialen te ontdekken die supergeleiders zijn bij hoge temperaturen en hoge drukken.

Supergeleiding bij hoge temperaturen heeft de afgelopen twee jaar regelmatig het nieuws gehaald, maar vaak om de verkeerde redenen. Verschillende claims over materialen die supergeleidend zijn bij bijna of zelfs boven kamertemperatuur zijn betwist, en sommige zijn ingetrokken.

Een deel van het probleem is dat deze materialen bij zeer hoge drukken worden bestudeerd in diamanten aambeeldcellen (DAC's). Een DAC comprimeert een klein monster tussen twee diamanten tanden, waardoor het erg moeilijk wordt om de karakteristieke kenmerken van supergeleiding waar te nemen. Het is zelfs lastig om de gedetailleerde atomaire structuur van dergelijke monsters te kennen.

Normaal gesproken moeten beweringen over supergeleiding worden ondersteund door twee bewijsstukken. Eén daarvan is een abrupte daling naar nul in de soortelijke weerstand van het materiaal wanneer de supergeleidende overgang plaatsvindt. De andere is het Meissner-effect, dat is de verdrijving van een magnetisch veld uit een materiaal wanneer het in een supergeleidende toestand komt.

Uitdaging onder hoge druk

Het is een uitdaging om deze tegelijkertijd onder hoge druk in een DAC te zien, zegt hij Norman Yao van de Harvard-universiteit. “Hoe steek je een sonde in deze hogedrukkamer? Je hebt gewoon geen toegang.” De soortelijke weerstand van het monster kan worden gemeten door kleine draadjes te installeren. Maar om magnetische effecten te meten, omringen onderzoekers de gehele DAC doorgaans met een solenoïde-inductiespoel, die slechts een gemiddelde geeft voor het hele monster.

Het probleem is vooral acuut voor materialen zoals cerium- en lanthaansuperhydriden, die het middelpunt zijn geweest van veel van de opwinding over supergeleiders op kamertemperatuur. Ze worden meestal gemaakt met behulp van een laser om een ​​metaalvlok te verwarmen in aanwezigheid van een waterstofrijke verbinding. Maar het kan moeilijk zijn om te weten waar, bij hoge druk, de gewenste hydridefase is gevormd en waar niet. Yao legt uit dat dit de reden is waarom experimentele runs vaker wel dan niet mislukken, omdat er geen continu supergeleidend gebied is dat de ene lead met de andere verbindt.

Als het monster zeer inhomogeen is, bemoeilijkt dit ook de interpretatie van de gemiddelde magnetische gedragsgegevens verzameld door een inductiespoel. Dit is bijzonder lastig omdat deze signalen over het algemeen klein zijn vergeleken met het achtergrondveld. Als gevolg hiervan zijn claims over supergeleiding bij hoge druk vaak omstreden.

Drie jaar geleden lieten het team van Yao en anderen zien dat lokale magnetische velden met hoge resolutie kunnen worden gemeten met behulp van de DAC-diamanten zelf. Dit gebeurt door gebruik te maken van stikstofvacancy (NV) roosterdefecten binnen de diamanten. Bij deze defecten worden twee aangrenzende koolstofatomen vervangen door een stikstofatoom en een lege roosterplaats.

Gesplitste spin-statussen

Elke NV heeft een kwantumspin die interageert met magnetische velden. Deze interactie wordt waargenomen met behulp van een techniek die optisch gedetecteerde magnetische resonantie wordt genoemd. Wanneer laserlicht op een NV wordt geschenen, veroorzaakt dit de emissie van fluorescerend licht. Als ook een microgolfsignaal met een specifieke resonantiefrequentie op de NV wordt toegepast, wordt de spin in een specifieke toestand gebracht en wordt de hoeveelheid uitgezonden fluorescerend licht verminderd. Als er ook een magnetisch veld aanwezig is, worden de energieniveaus van die spintoestand gesplitst. Dit betekent dat de vermindering van de fluorescentie optreedt bij twee verschillende microgolffrequenties – en de scheiding tussen deze frequenties is evenredig met de magnetische veldsterkte.

In principe zou deze techniek kunnen worden gebruikt om ruimtelijk opgeloste magnetometrie uit te voeren op een DAC-monster met behulp van geïmplanteerde NV-centra nabij de punt van een diamanttand. De fluorescentie wordt gecreëerd door een laser in de achterkant van een diamant te laten schijnen.

“Een inherent voordeel van de NV-techniek is de hoge ruimtelijke resolutie bij het meten van de verstoring van het aangelegde magnetische veld door de supergeleidende fase, in tegenstelling tot het middelingseffect bij metingen over het gehele monster”, zegt hogedrukexpert Michail Eremets van het Max Planck Instituut voor Chemie in Mainz, Duitsland. “Dit maakt het gebruik van veel kleinere monsters mogelijk en het potentieel om hogere drukken te bereiken”, voegt Eremets toe, die heeft gewerkt aan supergeleiding bij hoge temperaturen in onder druk gezet lanthaansuperhydride.

Vervormde defecten

Er is echter een probleem met deze magnetometrietechniek omdat hoge druk de NV-defecten vervormt op een manier die geleidelijk het magnetometriesignaal doodt. Eerder bleek dat de fluorescentie van dergelijke NV-locaties verdween rond een druk van 50-90 GPa, wat te laag is om de supergeleidende fasen van de superhydriden te vormen.

Nu hebben Yao en collega's een oplossing voor dit drukprobleem gevonden die in principe eenvoudig is, maar uitdagend om te ontwikkelen. Als het bovenvlak van de diamanttand langs een bepaalde kristallografische richting wordt gesneden, worden de NV-locaties in deze richting uitgelijnd. Het resultaat van deze symmetrie is dat druk geen invloed heeft op de fluorescentie. Hierdoor kon het team supergeleiding detecteren binnen specifieke gebieden, zo klein als een paar micron, van een monster ceriumsuperhydride bij een temperatuur van ongeveer 90 K en een druk van 140 GPa.

Het gebruik van deze kristallijne oriëntatie zou kunnen helpen controverses uit het verleden op te lossen en toekomstige controverses te vermijden, zeggen de onderzoekers. Het kan onderzoekers ook helpen bepalen welke omstandigheden voor monstersynthese het beste werken. Voorheen, zegt Yao, was het moeilijk om de exacte aard van een monster te bepalen. Maar als het doelmateriaal nu een magnetische respons heeft, zoals een Meissner-effect, zou het mogelijk moeten zijn om precies te zien waar het zich in het monster bevindt en zo af te leiden hoe effectief verschillende synthetische strategieën zijn.

“Deze beeldvormingsmogelijkheden van de techniek zullen vooral nuttig zijn voor in situ karakterisering van de inhomogeniteiten die aanwezig zijn in deze supergeleiders bij hoge temperaturen, inclusief die welke stabiel zijn nabij omgevingsdruk”, zegt materiaalwetenschapper Russel Hemley van de Universiteit van Illinois in Chicago, die niet bij het werk betrokken was.

Het onderzoek is beschreven in NATUUR.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/diamond-alignment-makes-high-pressure-magnetometry-of-superconductors-possible/