[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究利用红宝石荧光光谱法，评估了14种压力传递介质在低温金刚石对顶砧（DAC）实验中的表现，以评估在77 K和4.2 K下、压力达10 GPa时的非静水应力。氮气、氩气和氦气介质表现出红宝石R₁荧光线的显著减宽，表明其具有优异的静水性，特别适用于敏感体系（如关联电子材料）的低温高压研究。

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.

研究动机与目标

• 确定在金刚石对顶砧（DAC）实验中，能在低温（77 K和4.2 K）下保持静水性的压力传递介质。
• 评估不同介质在低温下引起的非静水效应（如压力梯度和单轴应力）的强度。
• 在低温条件下对介质性能进行定量比较，特别针对重费米子系统等敏感量子材料的研究。
• 通过识别红宝石荧光光谱中谱线展宽最小的介质，为低温高压物理实验设计提供指导。

提出的方法

• 采用红宝石荧光法，通过测量掺铬蓝宝石（红宝石）芯片在样品腔中R₁发射线的展宽，探测非静水应力。
• 使用带有800 µm金刚石端面和400 µm垫圈孔径的夹持式金刚石对顶砧，施加高达10 GPa的压力。
• 在室温、77 K和4.2 K下测量红宝石R₁线的半高全宽（FWHM），压力依赖的线宽展宽表明存在非静水应力。
• 采用伪-Voigt函数对R₁和R₂荧光线进行去卷积，以提取峰位和线宽。
• 计算ΔFWHM（FWHM(P) - FWHM(0)）作为非静水应力随压力发展的定量指标。
• 监测冷却过程中的压力变化（ΔP/P），以评估气体介质的热收缩效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在金刚石对顶砧中，哪些压力传递介质在77 K和4.2 K下表现出最小的非静水应力？
• RQ2 不同介质在不同压力和温度下，红宝石R₁荧光线的展宽如何变化？
• RQ3 冷却过程中的热收缩效应在多大程度上改变了氮气和氦气等气体介质中的施加压力？
• RQ4 在低温下，有机与无机介质的非静水效应如何比较？
• RQ5 哪些介质能在低温下维持至10 GPa的静水性，从而适用于量子材料的研究？

主要发现

• 氮气、氩气和氦气介质在77 K下表现出红宝石R₁荧光线最小的展宽，表明非静水应力最小，静水性最优。
• 在5.0 GPa时，氮气、氩气和氦气介质的ΔFWHM均低于0.1 nm，显著低于大多数有机和无机介质。
• 氮气和氦气介质的ΔFWHM随压力增加而上升，但保持较低水平——在10 GPa时氦气的ΔFWHM为10%，氮气在5 GPa时约为3%，表明其压力传递性能稳定。
• 在2 GPa时，氦气（40%）和氮气（30%）的冷却过程压力变化（ΔP/P）显著，但在5 GPa以上降至几个百分点，表明热收缩效应在高压下可管理。
• 在77 K下，氩气介质在8 GPa以上时ΔFWHM略高于氮气，表明在高压下非静水性略有增加。
• 有机介质如Daphne 7373、7474以及4:1甲醇-乙醇混合物在低温下表现出强烈的非静水效应，因此不太适合低温实验。