메가바 압력에서 가벼운 원소의 정확한 구조 측정을 위한 고급 중성자 회절

May 27, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4741(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

지난 60년 동안 DAC(다이아몬드 모루 셀)는 X선 및 분광 프로브를 사용하여 메가바 압력에서 재료를 연구할 수 있기 때문에 고압 과학에서 선택되는 도구로 부상했습니다. 대조적으로, 중성자 회절에 대한 압력 범위는 가장 강한 소스에서도 낮은 중성자 플럭스와 그에 따른 큰 샘플 크기로 인해 제한되었습니다. 여기서는 이전에 제한되었던 압력 범위를 돌파할 수 있는 중성자 DAC를 소개합니다. 핵심 요소는 향상된 기계적 안정성을 위한 볼 베어링 가이드, 새로운 모루 지지력을 갖춘 보석 품질의 합성 다이아몬드 및 향상된 좌석 내 시준입니다. 우리는 니켈의 예에서 1.15 Mbar의 압력 기록과 1 Mbar에서의 결정학적 분석을 보여줍니다. 또한 0.5Mbar까지의 흑연의 위상 거동에 대한 통찰력이 설명되어 있습니다. 이러한 기술 및 분석적 개발을 통해 X선으로 특성화하기 어려운 낮은 Z 물질에 대한 구조적 연구가 더욱 가능해질 것입니다.

다이아몬드 앤빌 셀1에서 1메가바(=100GPa)의 압력을 달성하는 '음속 장벽'이 무너진 지 40년이 넘었으며, 이후 고압 연구 분야는 비약적으로 발전했습니다. 이제 지구의 핵과 하부 맨틀의 상태를 시뮬레이션할 수 있으며 많은 지구물리학적 질문이 해결되었습니다2. 마찬가지로, 상태 다이어그램에 대한 물리적 이해가 엄청나게 발전했으며, 예를 들어 모든 물질 중 '가장 단순한' 수소(최근 리뷰 참조)에서 몇 가지 새로운 고압 상태가 확인되었습니다. 또한, 이제 다양한 질화물4,5,6과 같은 고압(및 고온 조건)을 통해 새로운 물질을 합성할 수 있으며 특히 최근 관심을 끄는 초전도 초수소화물(예:7,8,9)도 있습니다. 마지막으로, 이 분야는 계속해서 매우 활발하게 활동하고 있으며 최근 정교한 환상형 다이아몬드 모루 또는 이중 단계 기술을 통해 수 메가바 압력이 달성되었습니다10,11,12.

이러한 많은 연구의 공통점은 압력 하에서 현장 구조 결정이 X선 회절을 통해 수행된다는 사실입니다. 이러한 현장 X선 회절은 매우 강력하지만 낮은 Z 요소에 관해서는 심각한 제한이 있습니다. 여기서 중성자 회절은 중요한 도구로 발전했습니다. 중성자는 많은 낮은 Z 원소에 민감할 뿐만 아니라 다양한 동위원소를 구별할 수도 있습니다. 중성자는 자기 모멘트를 전달하므로 자기 브래그 회절을 감지할 수도 있습니다. 따라서 고압 과학에서 매우 중요한 여러 가지 질문은 중성자 회절을 통해서만 해결할 수 있습니다. 예를 들어, 지구물리학의 경우 중성자 회절은 광물 내 물의 성질을 조사할 수 있거나 물, 메탄 및 기타 가벼운 화합물의 얼음 밀도와 구조에 대한 지식을 제공할 수 있습니다. 중성자 회절은 수소나 탄소와 같은 가벼운 원소의 상태 다이어그램을 이해하는 데 핵심입니다. 최근 발견된 금속 초수소화물을 고려하면 중성자 회절을 통해 금속 매트릭스 내 수소의 정확한 위치를 밝힐 수 있어 중요한 구조 정보를 제공할 수 있습니다.

그러나 X선 회절과 달리 기존 중성자 시설의 중성자 유속이 상대적으로 훨씬 낮기 때문에 상대적으로 많은 양의 시료가 필요하므로 압력이 수십 GPa로 제한됩니다. 최근까지 Paris-Edinburgh 셀을 사용할 때 대부분의 사용자 시설의 일반적인 최대 압력은 \(\sim \) 25 GPa로 제한되었지만 최근에는 최대 40 GPa에 달하는 획기적인 연구가 보고되었습니다14,15.

더 높은 압력을 추진하기 위해 시간이 지남에 따라 중성자 다이아몬드 앤빌 셀(DAC)이 여러 번 개발되었습니다. 모스크바의 쿠르차토프 연구소(Kurchatov Institute)에서 주요 작업이 시작되었으며 나중에 프랑스로 이전되어 더욱 개선되었습니다. 그곳에서는 수소16 또는 자성 재료와 같은 물질에 대해 최대 40GPa에 대한 연구가 수행되었습니다17. 그러나 이러한 연구에서는 매우 적은 수의 반사만 식별할 수 있었으며 결정학적 분석 및 전체 구조 정보에는 충분하지 않았습니다. 결과적으로, 전 세계적으로 중성자 DAC 개발을 촉진하기 위한 여러 가지 노력이 시도되었습니다. 이러한 노력은 Institute-Laue-Langevin18,19 또는 Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz20에서 단결정 회절을 통해 얻은 고품질 데이터와 일본 양성자 가속기 연구 단지(J)에서 분말 회절을 사용하는 고압 기능에 중점을 두었습니다. -PARC)21, 중성자 물리학의 Frank 연구소22, ORNL(Oak Ridge National Laboratory's Spallation Neutron Source)23,24.