[論文レビュー] Evaluations of pressure-transmitting media for cryogenic experiments with diamond anvil cell

Naoyuki Tateiwa, Yoshinori Haga|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2010

High-pressure geophysics and materials参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、77 Kおよび4.2 Kで10 GPaまでの圧力を印加した低温ダイヤモンドアンビルセル（DAC）実験において、ルビー蛍光分光法を用いて14種の圧力伝達媒体の非水圧的応力の程度を評価した。窒素、アルゴン、ヘリウムの媒体は、ルビーR₁蛍光線の広がりが著しく小さく、優れた水圧的性質を示し、特に相関電子系のような感受性の高い系の研究に最適であることがわかった。

ABSTRACT

The fourteen kinds of pressure-transmitting media were evaluated by the ruby fluorescence method at room temperature, 77 K using the diamond anvil cell (DAC) up to 10 GPa in order to find appropriate media for use in low temperature physics. The investigated media are a 1:1 mixture by volume of Fluorinert FC-70 and FC-77, Daphne 7373 and 7474, NaCl, silicon oil (polydimethylsiloxane), Vaseline, 2-propanol, glycerin, a 1:1 mixture by volume of $n$-pentane and isopentane, a 4:1 mixture by volume of methanol and ethanol, petroleum ether, nitrogen, argon and helium. The nonhydrostaticity of the pressure is discussed from the viewpoint of the broadening effect of the ruby $R_1$ fluorescence line. The $R_1$ line basically broadens above the liquid-solid transition pressure at room temperature. However, the nonhydrostatic effects do constantly develop in all the media from the low-pressure region at low temperature. The relative strength of the nonhydrostatic effects in the media at the low temperature region is discussed. The broadening effect of the ruby $R_1$ line in the nitrogen, argon and helium media are significantly small at 77 K, suggesting that the media are more appropriate for cryogenic experiments under high pressure up to 10 GPa with the DAC. The availability of the three media was also confirmed at 4.2 K.

研究の動機と目的

• 低温（77 Kおよび4.2 K）条件下でも水圧的性質を維持する圧力伝達媒体を同定すること。
• さまざまな媒体が低温で引き起こす非水圧的効果（圧力勾配や一軸応力など）の強さを評価すること。
• 特に重フェルミオン系のような感受性の高い量子材料を研究するにあたり、低温条件下での媒体性能を定量的に比較すること。
• ルビー蛍光スペクトルの線幅の最小化を示す媒体を特定することで、低温高圧物理学における実験設計を支援すること。

提案手法

• 非水圧的応力を評価するために、サンプル室に配置されたCr³⁺ドープ・サファイア（ルビー）チップのR₁発光線の広がりを測定するルビー蛍光法を用いた。
• 最大10 GPaの圧力を印加するために、800 µmのダイヤモンドキューレットと400 µmの直径を有するガスケット穴を備えたクランプ式ダイヤモンドアンビルセルを用いた。
• ルビーR₁線のFWHM（半値全幅）を室温、77 K、4.2 Kで測定し、圧力依存的な線幅の広がりが非水圧的応力の指標となることを確認した。
• R₁およびR₂蛍光線を分離するため、擬似ボイチ関数を用いてデコンボリューション処理を行い、ピーク位置と線幅を抽出した。
• 非水圧的応力の定量的指標として、ΔFWHM（FWHM(P) - FWHM(0)）を計算した。
• ガス媒体の熱収縮効果を評価するため、冷却中の圧力変化（ΔP/P）をモニタリングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンドアンビルセルにおいて、77 Kおよび4.2 Kで非水圧的応力が最小限となる圧力伝達媒体はどれか？
• RQ2 異なる媒体において、圧力および温度の変化に伴い、ルビーR₁蛍光線の広がりはどのように変化するか？
• RQ3 冷却に伴う熱収縮効果が、ヘリウムや窒素のようなガス媒体に印加される圧力にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 有機および無機媒体の低温における非水圧的効果は、どのように比較できるか？
• RQ5 どの媒体が低温で10 GPaまで水圧的性質を維持できるか？そのような媒体は、量子材料の研究に適している。

主な発見

• 窒素、アルゴン、ヘリウムの媒体は、77 KでルビーR₁蛍光線の広がりが最小であり、非水圧的応力が著しく小さく、優れた水圧的性質を示している。
• 5.0 GPaで、窒素、アルゴン、ヘリウムのΔFWHMは0.1 nm未満にとどまり、大多数の有機および無機媒体と比較して顕著に低い値を示した。
• 窒素およびヘリウムのΔFWHMは圧力に伴い増加するが、依然として低く保たれている—ヘリウムでは10 GPaで10%、窒素では5 GPaで約3%にとどまるため、圧力伝達の安定性が高いことが示された。
• 2 GPaでヘリウム（40%）、窒素（30%）の冷却中の圧力変化（ΔP/P）は顕著であったが、5 GPaを超えると数パーセントに減少し、高温圧領域では熱収縮効果が管理可能であることが示された。
• 77 Kで8 GPaを超えると、アルゴン媒体のΔFWHMは窒素よりもわずかに大きくなり、高圧領域での非水圧的性質のわずかな増加が示唆された。
• Daphne 7373、7474、および4:1メタノールエタノール混合液といった有機媒体は、低温で強い非水圧的効果を示し、低温実験には不適切であることがわかった。