פיזיקאים בארה"ב ובסין המציאו טכניקה לביצוע מדידות אמינות של התכונות המגנטיות של חומרים המוחזקים בלחצים גבוהים מאוד. השיטה שלהם יכולה לעזור לחוקרים לגלות חומרים שהם מוליכים בטמפרטורות גבוהות ובלחצים גבוהים.
מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה עלתה לכותרות באופן קבוע בשנה-שנתיים האחרונות - אך לעתים קרובות מהסיבות הלא נכונות. מספר טענות של חומרים המוליכים-על קרוב לטמפרטורת החדר או אפילו מעליה היו במחלוקת, וחלקם נסוגו.
חלק מהבעיה הוא שהחומרים הללו נחקרים בלחצים גבוהים מאוד בתאי סדן יהלום (DAC). DAC דוחס דגימה זעירה בין שתי שיני יהלום, מה שמקשה מאוד על צפייה בחתימות האופייניות של מוליכות-על. ואכן, זה אפילו מסובך לדעת את המבנה האטומי המפורט של דגימות כאלה.
בדרך כלל, טענות על מוליכות-על חייבות להיות נתמכות בשתי ראיות. האחת היא ירידה פתאומית לאפס בהתנגדות החומר כאשר מתרחש המעבר המוליך. השני הוא אפקט מייסנר, שהוא הוצאת שדה מגנטי מחומר כשהוא נכנס למצב מוליך-על.
אתגר בלחץ גבוה
לראות אותם בו זמנית בלחץ גבוה ב-DAC הוא מאתגר, אומר נורמן יאו מאוניברסיטת הרווארד. "איך תוקעים בדיקה לתוך תא הלחץ הגבוה הזה? פשוט אין לך גישה." ניתן למדוד את ההתנגדות של המדגם על ידי התקנת מובילים זעירים. אבל כדי למדוד השפעות מגנטיות, חוקרים בדרך כלל מקיפים את כל ה-DAC עם סליל אינדוקציה סולנואיד, שרק נותן ממוצע לכל המדגם.
הבעיה חריפה במיוחד עבור חומרים כמו סריום ולנטנום-על-הידרידים, שהיו מוקד ההתרגשות לגבי מוליכים בטמפרטורת החדר. הם מיוצרים בדרך כלל באמצעות לייזר לחימום פתית מתכת בנוכחות תרכובת עשירה במימן. אבל יכול להיות קשה לדעת היכן, בלחץ גבוה, נוצר שלב ההידריד הרצוי ואיפה לא. יאו מסביר שבגלל זה ריצות ניסוי נכשלות לעתים קרובות יותר מאשר לא, מכיוון שאין אזור מוליך-על מתמשך שמחבר עופר אחד לאחר.
אם המדגם הוא מאוד לא הומוגנית, זה גם מסבך את הפרשנות של נתוני ההתנהגות המגנטית הממוצעת שנאספו על ידי סליל אינדוקציה. זה מסובך במיוחד מכיוון שאותות אלה הם בדרך כלל זעירים בהשוואה לשדה הרקע. כתוצאה מכך, טענות על מוליכות-על בלחץ גבוה הן לעתים קרובות שנויות במחלוקת.
לפני שלוש שנים, הצוות של יאו ואחרים הראו שניתן למדוד שדות מגנטיים מקומיים ברזולוציה גבוהה באמצעות יהלומי DAC עצמם. זה נעשה על ידי שימוש פגמי סריג חנקן פנוי (NV). בתוך היהלומים. בפגמים אלה, שני אטומי פחמן סמוכים מוחלפים באטום חנקן ובאתר סריג פנוי.
פיצול מצבי ספין
לכל NV יש ספין קוונטי שמקיים אינטראקציה עם שדות מגנטיים. אינטראקציה זו נצפית באמצעות טכניקה הנקראת תהודה מגנטית מזוהה אופטית. כאשר אור לייזר מואר על NV, זה גורם לפליטת אור ניאון. אם אות מיקרוגל בתדר תהודה מסוים מופעל גם על ה-NV, הוא מכניס את הספין למצב ספציפי וזה מפחית את כמות האור הפלורסנטי הנפלט. אם קיים גם שדה מגנטי, רמות האנרגיה של מצב הספין הזה מפוצלות. המשמעות היא שהפחתת הקרינה מתרחשת בשני תדרי מיקרוגל שונים - וההפרדה בין התדרים הללו היא פרופורציונלית לחוזק השדה המגנטי.
באופן עקרוני ניתן להשתמש בטכניקה זו לביצוע מגנטומטריה פתורה מרחבית על דגימת DAC באמצעות מרכזי NV מושתלים ליד קצה שן יהלום. הקרינה נוצרת על ידי הברקת לייזר בקצה האחורי של יהלום.
"יתרון מובנה של טכניקת ה-NV הוא הרזולוציה המרחבית הגבוהה שלה במדידת ההפרעה של השדה המגנטי המופעל על ידי שלב המוליך העל, בניגוד להשפעת הממוצע של מדידות על כל המדגם", אומר מומחה ללחץ גבוה מיכאיל ארמטס של מכון מקס פלאנק לכימיה במיינץ, גרמניה. "זה מאפשר שימוש בדגימות קטנות בהרבה ואת הפוטנציאל להגיע ללחצים גבוהים יותר", מוסיף ארמטס, שעבד על מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה בלנטנום-סופרהידריד בלחץ.
פגמים מעוותים
עם זאת, יש בעיה עם טכניקת מגנטומטריה זו מכיוון שלחץ גבוה מעוות את פגמי ה-NV באופן הורג בהדרגה את אות המגנטומטריה. בעבר, נמצא כי הקרינה מאתרי NV כאלה נעלמת סביב לחצים של 50-90 GPa, שהוא נמוך מכדי ליצור את השלבים המוליכים-על של העל-הידרידים.
חיישני יהלום בודקים חומר בלחצים גבוהים
כעת יאו ועמיתיו מצאו פתרון לבעיית הלחץ הזו שהוא פשוט בעקרון אך מאתגר להנדסה. אם החלק העליון של שן היהלום נחתך לאורך כיוון קריסטלוגרפי אחד מסוים, אתרי ה-NV מיושרים בכיוון זה. התוצאה של סימטריה זו היא שלחץ אינו משפיע על הקרינה. זה איפשר לצוות לזהות מוליכות-על בתוך אזורים ספציפיים, קטנים כמו כמה מיקרונים, של דגימה של צריום-סופרהידריד בטמפרטורה של כ-90 K ולחץ של 140 GPa.
שימוש בכיוון הגבישי הזה יכול לעזור לפתור מחלוקות עבר ולהימנע מכמה מחלוקות עתידיות, אומרים החוקרים. זה יכול גם לעזור לחוקרים לקבוע אילו תנאי סינתזה מדגם עובדים הכי טוב. בעבר, אומר יאו, היה קשה לקבוע את האופי המדויק של מדגם. אבל עכשיו, אם לחומר המטרה יש תגובה מגנטית כלשהי כמו אפקט מייסנר, אמור להיות אפשרי לזהות בדיוק היכן הוא נמצא במדגם וכך להסיק עד כמה אסטרטגיות סינתטיות שונות יעילות.
"יכולת ההדמיה הזו של הטכניקה תהיה שימושית במיוחד עבור באתרו אפיון של חוסר ההומוגניות הקיימות במוליכי-על אלה בטמפרטורה גבוהה, כולל אלה שהם יציבים ליד לחצי הסביבה", אומר מדען חומרים ראסל המלי מאוניברסיטת אילינוי בשיקגו, שלא היה מעורב בעבודה.
המחקר מתואר ב טבע.
- הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
- PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
- PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
- מקור: https://physicsworld.com/a/diamond-alignment-makes-high-pressure-magnetometry-of-superconductors-possible/
