メガバール圧力における軽元素の正確な構造測定のための中性子回折の進歩

Oct 27, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4741 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

過去 60 年にわたり、ダイヤモンド アンビル セル (DAC) は、X 線と分光プローブを使用してメガバールの圧力で材料を研究できるため、高圧科学で最適なツールとして浮上してきました。 対照的に、中性子回折の圧力範囲は、最も強力な線源であっても中性子束が低く、その結果としてサンプルサイズが大きくなるため、制限されてきました。 ここでは、これまでに制限されていた圧力範囲の突破を可能にする中性子 DAC を紹介します。 重要な要素は、機械的安定性を向上させるボールベアリング ガイド、新しいアンビル サポートを備えた宝石品質の合成ダイヤモンド、およびシート内コリメーションの改善です。 ニッケルの例について、1.15 Mbar の圧力記録と 1 Mbar での結晶学的分析を示します。 さらに、0.5 Mbar までのグラファイトの相挙動についての洞察も記載されています。 これらの技術的および分析的開発により、X 線による特性評価が困難な低 Z 材料の構造研究がさらに可能になります。

ダイヤモンドアンビルセルで 1 メガバール (= 100 GPa) の圧力を達成するという「音の壁」が破られてから 40 年以上が経過し 1、高圧研究分野はそれ以来劇的に進歩しました。 地球の核と下部マントルの状態をシミュレートできるようになり、多くの地球物理学的問題が解決されました2。 同様に、状態図の物理的理解は非常に進歩しており、たとえば、すべての物質の中で「最も単純な」水素において、いくつかの新しい高圧相が確認されました (最近のレビューを参照)。 さらに、さまざまな窒化物 4、5、6 や、最近特に注目されている超伝導超水素化物などの新しい材料を、高圧 (および高温条件) を通じて合成できるようになりました 7、8、9。 最後に、この分野は引き続き非常に活発であり、最近では、洗練されたトロイダル形状のダイヤモンドアンビルまたは二段階技術によって数メガバールの圧力が達成されました10、11、12。

これらの研究の多くに共通しているのは、圧力下でのその場での構造決定が X 線回折によって行われるという事実です。 このようなその場 X 線回折は非常に強力ですが、低 Z 元素に関しては厳しい制限があります。 ここでは、中性子回折が重要なツールとして進化しました。 中性子は多くの低 Z 元素に敏感であるだけでなく、異なる同位体を区別することもできます。 中性子は磁気モーメントを運ぶため、磁気ブラッグ回折の検出も可能になります。 したがって、高圧科学における多くの非常に重要な問題は、中性子回折によってのみ解決することができます。 たとえば、地球物理学の場合、中性子回折は鉱物内の水の性質を調査したり、水、メタン、その他の軽い化合物の氷の密度と構造に関する情報を提供したりできます。 中性子回折は、水素や炭素などの軽元素の状態図を理解するための鍵となります。 最近発見された金属超水素化物を考慮すると、中性子回折により金属マトリックス内の水素の正確な位置が明らかになり、重要な構造情報が得られます。

ただし、X 線回折とは異なり、既存の中性子施設の中性子束が比較的低いため、比較的大量のサンプルが必要となり、圧力が数十 GPa に制限されました。 最近まで、パリ・エディンバラセルを使用する場合、ほとんどのユーザー施設での典型的な最大圧力は \(\sim \) 25 GPa に制限されていました 13 が、最近では最大 40 GPa までのブレイクアウト研究が報告されています 14,15。

より高い圧力を推進するために、時間をかけて中性子ダイヤモンドアンビルセル (DAC) が何度か開発されてきました。 主要な研究はモスクワのクルチャトフ研究所で開始され、後にフランスに移管されてさらに改良されました。 そこでは、水素などの材料 16 または磁性材料に関する最大 40 GPa の研究が実施されています 17。 しかし、これらの研究では非常に少数の反射しか特定できず、結晶学的解析や完全な構造情報には不十分でした。 その結果、中性子DACの開発を促進するために、世界中でいくつかの取り組みが行われてきました。 これらの取り組みは、ラウエ・ランジュバン研究所 18,19 またはフォルシュングス・中性子研究所ハインツ・マイヤー・ライプニッツ 20 での単結晶回折を通じて得られた高品質データと、大強度陽子加速器研究施設 (J) での粉末回折を使用した高圧能力に焦点を当てました。 -PARC)21、中性子物理学のフランク研究所22、およびオークリッジ国立研究所 (ORNL) の核破砕中性子源 (SNS)23、24。

中性子回折実験でメガバールの圧力に達することは、X 線回折に使用される従来の DAC を単にスケールアップするだけでは実現できません。 通常、DAC で 1 メガバールに到達するには、\(\sim \) 100 μm 以下のキューレット サイズが使用されます。 中性子回折では、サンプルサイズをはるかに大きくする必要があるため、キューレットの最小サイズはミリメートル単位でした。 この広い面積により、必要な力が 10 倍以上増加し、通常はガス膜または油圧プレスによって供給される数メートルトンになります。 主な問題は、このような大きな力がダイヤモンドセル本体、ひいてはダイヤモンドアンビルに大きなせん断応力を引き起こし、アンビルシートの強度を超えてダイヤモンドアンビルが頻繁に破損することです。

それにもかかわらず、SNS ではメガバール中性子回折の開発に 10 年以上取り組んでいます。 これらの取り組みは、高圧回折計核破砕中性子および圧力 (SNAP)25 を中心に行われています。 SNAP は、高度な中性子集束光学系と白色ビーム飛行時間型 (TOF) 中性子回折を使用する大面積検出器を備えた高束、中解像度の装置です。 白色ビーム TOF 回折と大きな角度範囲のこの組み合わせは、高圧研究に利点をもたらします。特に、Q カバレッジの向上、テクスチャを評価する機能、および 2θ 範囲のブロックまたは大幅に減衰したセクションを処理する機能が挙げられます。白色ビーム TOF 回折のエネルギー分散特性により、完全な回折パターンのかなりの部分が各 2θ で測定できます。 これにより、Q レンジを損なうことなく、圧力セルのセットアップで吸収材料、特にガスケット材料の使用が可能になり、この事実は SNAP に関する DAC 研究に大きな利益をもたらしました 26,27。

時間の経過とともに、SNAP 上で DAC が何度か開発されてきました。 当初、これらは非常に精巧なアンビルサポート 23 を使用しており、90 GPa 以上の性能を達成することに成功し 23、最大 52 GPa までの水の氷に関する高品質の結晶学的データを取得しました 28。 しかし、利用可能な散乱開口、したがって Q 範囲により、可能な研究は単純な立方体系に大きく制限されました。 さらに有害だったのは、その設計が非常に高価であり、ユーザー プログラムとしては実現不可能だったことです。 したがって、次のアップグレードでは、アンビルサポート内の応力を軽減するために、化学蒸着 (CVD) によって成長させた非常に大きな合成ダイヤモンドに焦点を当てました。 これらにより、水氷上での完全な結晶学的解析と 62 GPa29 までの構造の微細化が可能になり、より広範なユーザー プログラムに展開することに成功しました。 最近では、SNAP での DAC の取り組みでは、施設全体の光束の増加 (現在 1.4 MW で稼働) とビームラインの大幅なアップグレード (検出器システムのアップグレードと中性子集束の大幅な改善) という 2 つの重要な要素を活用しようとしています。ガイドシステム）。 しかし、これらのアップグレードにもかかわらず、DAC 内の最大圧力は 65 GPa のままであり、この障壁は、これらの大型 CVD アンビルとセル本体では単純に克服できませんでした。

ここでは、小型の宝石品質の合成ダイヤモンド アンビル、超高精度のセル本体、新しいアンビル サポート、およびバックグラウンドを低減するための高精度内蔵ホウ素コリメーションに基づいた新しい中性子 DAC の開発について紹介します。 これらの新しい DAC は、最近の革新的なビームラインのアップグレードを活用しています。これは、より高い光束によりサンプル量が小さくなり、DAC に新しいコンセプトが可能になるためです。 これらの新しい設計により、700 および 800 μm から 1 メガバール以上のキューレット サイズを備えた DAC から高品質のデータを取得できるようになりました。 メガバールの圧力でのこのような中性子回折は、新たな科学の方向性を可能にし、地球科学、物理学、化学、材料科学における差し迫った疑問に答えることが期待できます。

メガバール中性子回折用のダイヤモンド アンビル セルは、SNS の専用高圧中性子回折計 SNAP25、26 用に調整された 80 度の開口を備えた対向アンビル ピストン シリンダー デバイスです。 中性子線は圧力軸に沿って入射し、この圧力軸から放射状に散乱します。 図1aに示すピストンとシリンダーの間に鋼製ローラーベアリングを使用することにより、セル本体の非常に高い機械的安定性と精度が達成されました。 これらのローラーベアリングは、アンビルの早期破損の主な原因である可能性が最も高い、以前の圧力セルに常に存在していたせん断応力を本質的に排除しました。 さらに、これらのリニアボールベアリングには、低温でほぼ摩擦のない動作が可能であるという追加の利点があり、従来のセルにおけるピストンとシリンダーのよく知られた「凍結」が解消されます。

新しいダイヤモンド アンビル形状は、円錐形 CVD ダイヤモンド アンビルの最適な半径方向および軸方向のサポートに対応するために開発されました。 アンビルの寸法は直径 5 mm、高さ 4 mm です。 パビリオンの角度は 40\(^{\circ }\)、底部のコーンの角度は 30\(^{\circ }\) です。 この設計は、アンビルの軸方向と半径方向の両方のサポートに対応します。 円錐形のサポートのみでは、シート (タングステンカーバイドまたは多結晶ダイヤモンド) の塑性変形または亀裂によるアンビルの破損が発生しましたが 23,24、単純な軸方向/平坦なサポートでは、シートの弾性または塑性変形により、軸に沿って大きなダイヤモンドが分割されます。シート材質 (スチールまたはタングステンカーバイド)。 ラジアルスチール結合リングと高強度フラットサポート (タングステンカーバイドまたはスチール) の組み合わせにより、アンビルの安定性が大幅に向上し、50 GPa を超える日常的な実験が可能になりました。 実際、寸法 5 \(\time \) 4 mm のアンビルは、破損することなく最大 8 トン、つまり約 80 kN の力に耐えることができます。 図 1b、c は、軸方向と半径方向のサポートを組み合わせたアンビルとサポートを示しています。 キューレット サイズの範囲は通常 600 ～ 900 µm で、サンプル量は 0.004 ～ 0.014 mm\(^{3}\) になります。

メガバー中性子ダイヤモンドアンビルセル。 (a) セルの個々の部品、ローラーベアリング、シートとアンビルを含む上部ピストン、対向するシートとアンビルを含むセル本体、および上部閉鎖キャップの写真。 (b) 追加のサポートに使用されるスチール製バインディング リングを含むシートとアンビルの写真。 (c) Autodesk Fusion 360 (V2.0.15050、https://www.autodesk.com/products/fusion-360) で作成されたシートとアンビルの 3D 回路図 (シートに組み込まれたアモルファス ボロンからなるコリメータを含む)少量のエポキシ。 上面から見たシートの拡大写真には、コリメータによって形成された入射ビーム用の開口部が示されています。 これにより、シートの穴の直径は直径 1 mm になります。

アンビルのシートは、口径 23\(^{\circ }\) の炭化タングステンで作られました (図 1 を参照)。 入射中性子ビームは発散性が高く、サンプルよりも大きいため、上流シートにはサンプルに照射されないすべての中性子を吸収できる内蔵コリメータが必要です。 このコリメータは、ホウ素粉末 (非晶質天然 B または同位体濃縮結晶 \(^{10}\)B) と少量のエポキシの混合物から作られています。 実験ごとにカスタムドリルされており、特定のキューレットサイズに定期的に適合する低いバックグラウンドレベルが可能です。 製造後、ダイヤモンド アンビルはコリメータに対して光学的に位置合わせされます。 通常、キューレット、ガスケット穴、コリメータの寸法はそれぞれ 700 μm、300 μm、280 μm です。 コリメータの位置合わせと有効性は、以下に説明するレニウム ガスケットからの回折ピークを監視することによってチェックされます。

最初に使用されたステンレス鋼ガスケット (301、フルハード)23、24 は、圧力を約 65 GPa に制限しました。 Re、および程度は低いですが W も中性子の吸収断面積が大きいですが、これは SNS の SNAP 回折計での操作には問題ありません。 そこでは、可動検出器を通じて利用可能な広い角度範囲により、 \(2\theta \) 範囲の小さな断片だけがガスケットによって減衰されるような検出器の配置が可能になります。 単色ビームではなく TOF 中性子回折を使用するため、必要な Q 範囲全体にアクセスできます。

したがって、ここで説明するメガバール中性子 DAC は、アライメントと操作に必要な高精度、ラジアル アンビル サポートとガスケットの使用に必要な安定性、および高品質の中性子回折データに必要な十分なサンプル量を可能にします。

これらのアンビルとセルの設計を使用して、SNAP ビームラインでさまざまなサンプル サイズと最大圧力のサンプルが実行されました。 ここでは、さまざまなサンプル タイプをカバーする 3 つの異なるサンプル材料を示します。最初のサンプルは圧力媒体を使用せずに充填された固体ニッケル粉末、2 番目のサンプルは液体として充填された水氷、3 番目のサンプルは圧力として使用されるガス状アルゴンを充填したグラファイトです。伝達媒体。 現場回折データは、油圧 DAC プレスを使用して加圧時に収集されました 27。 結果として得られる圧力-荷重曲線を図 2 に示します。

ニッケル、水氷、グラファイトから得られた圧力-荷重曲線。 Ni および D\(_2\)O データの圧力は、それぞれ Ni および D\(_2\)O の状態方程式を使用して回折データ自体から得られました30、31。 これらについては、回折データ (それぞれ黒丸と星) へのガウス フィットを通じて圧力が決定されました。 さらに、短い実行では、圧力はピーク位置 (灰色の円) から視覚的に決定されました。 Ar圧力内にロードされたグラファイトについては、ルビー蛍光法を使用して得られました（黒いダイヤモンド）。 詳細については、本文およびメソッドのセクションを参照してください。 すべての場合において、目を誘導するためにフィット感が追加されました。 Ni とグラファイトについては 2 次多項式フィットが使用されましたが、氷については \(\sim \) 60 GPa での傾きの明確な変化に従うために 2 つの別個の線形フィットが使用されました。

Ni 粉末については、800 μm と 600 μm のキューレットを使用した 2 つの異なる実行が示されています。 圧力は、収集期間全体および両バンクにわたって蓄積されたデータから決定されました。 データ削減とバックグラウンド補正に続いて、111、220、および 200 Ni の反射をそれぞれガウス関数で個別にフィッティングして格子パラメータ a を抽出し、それを圧力計算に使用しました。 これは、800 μm キューレットで得られたすべての圧力ポイントと、600 μm キューレットで得られたすべての長時間露光圧力ポイントに対して実行されました。 さらに、圧力は、すべてのデータセットの 111、220、および 200 回の反射のデータから独立して視覚的に決定されました。 次に、圧力は反射ごとに独立して計算され、圧力-荷重曲線上に示される圧力点は平均を示し、提供される不確実性は対応する標準偏差です。 したがって、位置/角度の変動や圧力勾配による実際の変動はさらに大きくなる可能性があります。 詳細については、補足資料に記載されています。

どちらの Ni 負荷でも、最初は負荷に応じて急速で比較的直線的な圧力増加が見られますが、より高い負荷では曲線が平坦になり始め、アンビル キューレットのカッピングを示します。 800 µm で得られる最大圧力は 5 トンで 1 Mbar でした。 さらに荷重が増加すると、アンビルは 5.13 トンで崩壊しました。 具体的には、\(V/V_0\) = 0.7565 ± 0.0008 が実験的に測定されました。 \(B_0\) = 183 GPa および \(B'_0\) = 4.9930 の Vinet EoS を使用すると、100 GPa の圧力が得られます。 ここで図に示されているすべての Ni 圧力はこの EoS に基づいていることに注意してください。 ただし、 \(B_0\) = 201 GPa、\(B_0'\) = 4.4 の 3 次バーチ ムルナハンを使用するより最近の EoS32 では、この \(V/V_0\) に対して 104 GPa の圧力が得られることは注目に値します。 。 600 µm キューレットを備えたセルは、5 トンで 1.15 Mbar を達成しました。 具体的には、\(V/V_0\) = 0.738 ± 0.003 が実験的に測定されました。 これは、Vinet EoS を使用した場合は 115 GPa、上で引用した 3 次の Birch-Murnaghan EoS を使用した場合は 120 GPa の圧力に相当します。 このセルは、この負荷と圧力で \(\sim \) 1 時間のデータ収集後に故障したことに注意してください。

次に、水の氷 (ここではコヒーレント中性子散乱を強化するための D\(_2\)O) から得られた圧力-荷重曲線を示します。 固体の Ni 粉末とは異なり、これは液体サンプルを装填したものでした。 これにより、圧縮時の荷重とガスケットの安定性の点でさらなる課題が生じます。 Ni に関しては、露出時間全体と両方の検出器領域にわたってサンプリングされた蓄積された回折データから圧力が決定されました。 110 反射へのガウス フィットを使用して格子パラメータを抽出しました。 圧力を計算するには、\(V_0\) = 12.3 cm\(^3\) mol\(^{-1}\)、\(B_0\) = 23.7 GPa、\(B'_0\) = 4.15 を使用しました。バーチ・マーナハン有限ひずみ EoS31。

この特定の氷上での実行では、圧力をこれまでのほとんどの実行での圧力制限である 65 GPa まで比較的急速に増加させました。 この圧力までは 20 分間の短い収集期間が実行されましたが、これは主回折ピークと状態方程式から圧力を決定するのに十分でした。 65 GPa を超えると、より長いデータ収集が実行されました。 これにより、ここで使用した 640 µm キューレットの最大圧力は 88.6 GPa となりました。 \(\sim \) 60 GPa の圧力-荷重曲線、つまり、以前に壊滅的なガスケット/アンビルの破損が一貫して発生した圧力領域では、興味深いねじれが見られます。 \(\sim \) 60 GPa のキンクの上と下では、圧力-荷重曲線は直線的ですが、2 つの異なる傾きがあります。 さらに、中性子DACにもH\(_2\)Oを負荷し、圧力校正剤としてルビーを使用した、より詳細なオフライン実験では、圧力負荷曲線に不連続な傾きの変化がないことが明らかになりました。 しかし興味深いことに、圧力が増加してもサンプルチャンバー全体の圧力勾配は 3 ～ 4 GPa で一定の​​ままであることが示されました。 これらの調査結果の詳細に関する原稿は現在準備中です。

これにより、全体的な圧力勾配についての有益な洞察が得られます。 圧力増加による回折線の顕著な広がりは観察されませんでしたが、SNAP は中解像度の回折計のみであるため、特定の点までの広がりは検出されない可能性があることに注意してください。 全体として、H\(_2\)O で観察されたこの圧力勾配は、Ni で決定された圧力の変動/不確実性、つまり角度位置の違いによる変動 (100 GPa で \(\sim \) 6.5 GPa、補足を参照してください)。 以前の X 線回折研究と同様に、このような圧力変動/勾配は、将来的には、静水圧媒体とレーザー アニーリングを組み合わせて使用​​することで克服される可能性があります。

ここで示されている最終的な圧力-負荷曲線は、ORNL のガスローダー 26 を使用して 2.6 kbar で DAC に装填された Ar 圧力伝達媒体を使用して (準) 静水圧的に測定されたグラファイトから得られます。 Ni や氷の例とは異なり、ここではサンプルはチャンバー全体の一部のみを満たして (準) 静水圧状態を実現しました。 この実験は、さらに小さなサンプルでも良好な回折パターンを取得できることを実証しています。これは、たとえば水素に充填された金属サンプルを使用する将来の実験にとって重要です。

ここで、圧力はルビー蛍光法を用いて求めた。 \(\sim \) 20 GPa までは静水圧ルビー スケール 30 が使用され、より高い圧力では代わりに非静圧ルビー スケール 33 が使用されました。 各データ収集の前後で圧力が測定されましたが、長時間の収集中に圧力は 1 ～ 3 GPa 上昇しました。 これらの測定値はすべてここに含まれています。 グラファイトには 2.5 トンの荷重が加えられ、最大圧力は 50 GPa をわずかに上回りました。 この圧力では、ガスケットが非対称に変形し始め、セルが減圧されました。 金床は無事回収されました。 圧縮グラファイトはアンビルを破損する傾向があるため、これは注目に値します。

中性子散乱の観点からはサンプル量が非常に少ないにもかかわらず、データ品質は従来のリートベルト手法を使用した結晶学的解析には十分です。 中性子回折でメガバールの圧力を達成することは重要な進歩ですが、ブラッグピークの位置だけでなくその強度も正確に決定することも同様に非常に重要です。 これは、中性子回折測定の能力を利用して、D\(_2\)O/H\(_2\)O 氷や金属超水素化物などの軽原子の化学量論と原子位置を決定するための重要な前提条件です。 達成可能なデータ品質の例を図 3 に示します。

ニッケルの高圧中性子回折。 (a) 800 μm キューレットと (b) 600 μm キューレットを備えたセル内の Ni から得られた中性子回折データ。 (c) 完全なバックグラウンド補正後の 800 μm キュレットセル内で 100 GPa で測定された Ni に対して実行された定量的リートベルト精密化。 データセットは、測定データ (灰色)、計算データ (色付き)、およびその下の差分関数によって表示されます。 すべてのプロットにおいて、Ni は、Ni の立方体単位胞 \(Fm\overline{3} m\) に従って追加でインデックス付けされます。

Ni は、対称性の高い立方体構造、コヒーレントな中性子散乱断面積、および調査対象の圧力領域で構造相転移を示さないという事実により、元素例としてここで選択されています。 後者は、上で示したように、測定された回折データから信頼性の高い圧力決定を可能にし、データ削減アプローチの精度のベンチマークとなります。 図 3a、b は、それぞれ 800 μm および 600 μm キューレットを備えた DAC で収集された Ni 回折データを示しています。 データは、入射光束の波長依存性や検出器の効率などの機器アーチファクトを考慮してバナジウム正規化されており（詳細は補足資料を参照）、実験のバックグラウンドが差し引かれています。 さらに、図3cに示すデータセットは、上流のダイヤモンド減衰のブラッグ散乱による入射ビームの減衰が補正されています34。

TOF 回折はエネルギー分散技術であり、検出された中性子の走行時間を利用してそのエネルギーを分解できます。 その結果、たとえ小さな立体角に散乱された中性子からも完全な回折パターンを抽出することができます。 大面積検出器と組み合わせると、さまざまな角度での観察により、ビーム (および今回の場合は荷重軸) に対して異なる方向を向いた結晶のサブセットがサンプリングされるため、サンプルの微細構造に対する強力な洞察が容易になります。 ただし、ここでは、合計数の増加により統計が改善されるため、広い角度範囲 (61\(^{\circ }\) から 126\(^{\circ }\) にわたる) のピクセルを組み合わせることにしました。測定。 異なる角度で測定したデータを組み合わせる場合には考慮しなければならないことがいくつかあります。これについては補足資料で説明します。

示されている改良を行うために、飛行時間から d 間隔への変換と回折計の分解能の両方が、Ni データと同じ角度範囲で収集されたダイヤモンドのキャリブラント粉末の測定値から決定されました。 これは、GSAS-II35 Rietveld ソフトウェア パッケージ用に開発された標準の校正プロセスを使用して行われました。 Ni の結晶構造には精密化可能な原子位置がないため、精密化された結晶学的パラメータは格子パラメータと Ni 核の単一等方性原子変位パラメータ (ADP) \(U_{iso}(Ni)\) だけでした。 結果の当てはめにより、reduced-\(\chi ^2=1.169\) が得られます。 改良された格子パラメータは \(a = 3.2123(6)\)Å および \(U_{iso}(Ni)=0.0109 (27)\)Å\(^2\) でした。 優先配向 (PO) の単一係数の球面調和モデルを改良に追加することにより、さらに大幅な改善が見られました。 これにより、reduced-\(\chi ^2\) が 0.992 に低下し、特に 200 反射付近でのフィット感が目に見えて改善され、テクスチャ インデックスが 1.067 になりました。 PO 改良では格子パラメータは誤差内で変化しませんでしたが、ADP は \(U_{iso}(Ni)=0.0030(27)\)Å\(^2\) まで大幅に減少しました。 この結果の適合は図 3c に示されています。

Ni のよく知られた構造のモデルと私たちのデータがよく一致していることは、私たちのデータ削減手順の信頼性を示しています。 さらに、この改良は、メガバールの圧力でも完全かつ定量的な構造中性子改良が達成可能であることを非常に明確に示している。 さらに、本来の機器分解能を超えたサンプルピークの広がりがないことは、せん断勾配が驚くほど低いことを示唆しており、これは非常に高い圧力条件下で（比較的大きな）ダイヤモンドキューレットをカッピングすることによって潜在的に最小化されている可能性があります。 また、圧力媒体が存在しないにもかかわらず、PO の量が少ないことも注目に値します。これは、少なくとも部分的には、測定した各ブラッグ ピークの結晶子方位の広範囲にわたって平均化する能力に起因している可能性があります。 最後に、この角度範囲には、Ni などの対称性の高いシステムでも十分な数のピークの検出を可能にする良好な Q 範囲が提供されるというさらなる利点があります。

明らかに、Ni に関するこれらの実験は、メガバール中性子回折の達成と、これらの圧力でも完全な結晶学的分析が依然として可能であるという事実を実証しています。 次に、これらの新しい中性子 DAC が、X 線回折では容易に研究できない高圧科学における困難な問題に実際に対処できることを実証することは興味深いことです。 これらの研究では、多くの場合、ガスの充填が必要で、低 Z 材料が関係しており、通常は立方晶 Ni や D\(_2\)O よりも対称性の低い材料を検査します。 ここでは、柔らかい圧力伝達媒体として Ar を使用して DAC にロードされたグラファイトの例でこれを実証します。 これはいくつかの理由から選択されます。 (i) 炭素は低 Z 元素であるため、グラファイトに関する過去の X 線回折 DAC 研究では常に、ダイヤモンド アンビルのコンプトン散乱から生じる高いバックグラウンドと格闘する必要がありました。 (ii) ガス充填に関する研究では、ガスケットチャンバーがサンプル物質で完全に満たされていない場合でもデータ収集が可能であることが明らかになりました。 さらに、ここではガスローディングには不活性ガスが含まれていましたが、同じ手順をたとえば水素にも拡張できます。 (iii) 黒鉛は六方晶系の構造を示します。 (iv) 明らかに、炭素の状態図は依然として興味深いものであり、多くの未解決の疑問が残っています。

特にここでは、グラファイトは圧縮時に直接ダイヤモンドに変化しないため、グラファイトの高圧挙動は引き続き非常に興味深いものです。 代わりに中間相が形成されます。 透明相は 14 ～ 18 GPa の間で形成されます 36,37,38。この形成は、使用されるグラファイトの正確な形状と圧縮条件に大きく依存します。 しかし、これらの先行研究は光学的手法に焦点を当てていたため、その構造は決定されていませんでした。 DAC 内で圧縮されたグラファイトのその場でのシンクロトロン X 線回折研究は困難ですが、いくつかの研究が実施されています。 これらは、この新しい構造が超硬質であり 39、M 炭素の単斜晶構造を持っている可能性があるが、時間の経過とともに非常にゆっくりとしか核形成しないことを示しています 40。 この構造の性質の詳細、使用される初期黒鉛への依存性、および核生成における興味深い臨界時間要因は、高圧中性子回折によって対処できる可能性のある多くの未解決の疑問を依然として提起しています。

ここで、大気圧から \(\sim \) 50 GPa までのグラファイトの回折データを図 4 に示します。ガス充填中は初期圧力 0.7 GPa が封入されました。 過去の高圧 X 線回折データ 39,40 との興味深い違いが、この周囲圧力データセットでは明らかです。 具体的には、X 線回折 DAC データには通常存在しませんが、回折データでは 004 反射が観察されます 39,40。 すべての検出器バンクについて要約するのではなく、角度ごとに分解したデータを詳しく検査すると、004 が 002 と同じ検出器パネルに存在しないことがわかります。したがって、完全な結晶学的解析は、リートベルト精密化に対する複数角度のアプローチの開発が保留中です (補足を参照)材料）。

Ar圧力媒体を負荷したグラファイトの高圧中性子回折。 (a) グラファイトの六角形単位胞 \(P6_3/mmc\) に基づいてインデックス付けされた、16 GPa に近い周囲圧力からの粉末回折パターン。 細かくビニングされたデータは (灰色の) 円で示され、明確にするために実線はより粗くビニングされたデータを示します。 (b) MantidWorkbench (V6.1.0、https://www.mantidproject.org/)41 から抽出した 2D 検出器ビュー。50 GPa、1.1 ～ 2.1 Å の d 範囲で観察された拡散単結晶の特徴を示しています。 単結晶ダイヤモンドのピークなどのセルの背景はマスクされます (灰色の領域)。 個々の単結晶特徴ごとに統合された領域は、赤い円で示されます。 これは、21 ～ 50 GPa の各圧力に対してまったく同じ検出器の位置で実行されました。 3 つのピークの圧力の変化を (c–e) に示します。

図4aに示すように、10.6 GPaおよび15.9 GPaに圧縮すると、002の典型的な大きな圧力シフトと、他の大部分の反射の小さな圧力シフトが観察されました。 同時に、004 反射はもはや容易に観察されなくなりました。 収集中に圧力が初期の 8.7 ～ 10.6 GPa から、それぞれ 14.3 ～ 15.9 GPa にドリフトしたため、引用された圧力はデータ収集時の開始圧力であることに注意してください。 次に圧力を \(\sim \) 21 GPa に増加すると、構造の乱れが発生し、時間の経過とともに六方晶グラファイト構造が溶解しました (ここには示されていません)。 これは、同様の圧力で顕著なピークの広がり39、または 100 時間以上の待ち時間の後に新しい回折線の出現が見られる過去の X 線回折研究と一致している可能性があります。

その後 \(\sim \) 34 GPa まで圧縮を続けると、新しい結晶構造の核が生成され、ここで調査した \(\sim \) 50 GPa の最大圧力まで持続しました。 興味深いことに、この高圧結晶相はランダムな粉末として核生成せず、高度に配向した拡散した単結晶のような特徴として核生成しました。 これは、最大圧力 50 GPa での 2 つの検出器バンクの 2D ビューで明確に見られます (図 4b を参照)。 さらなる圧力データセットと分析の詳細は、補足資料で入手できます。 印を付けた円内の 3 つの領域、つまりさまざまな圧力での拡散単結晶の特徴の統合を図 4c、d に示します。 \(\sim \) 1.24 Å と \(\sim \) 1.70 Å のピークは圧力とともに明らかにシフトしており、これらがサンプルのピークであることが確認できます。 \(\sim \) 1.91 Å のピークが SNAP の分解能限界内でシフトするかどうかは明らかではありませんが、非圧縮性の高い炭素相からは非常に硬い挙動が予想される可能性があります。 観察されたピークの数は完全な構造解析には不十分ですが、その構造は以前に観察された M-carbon40 とまだ一致している可能性があります。 より完全な回折ピークのセットを取得するには、さらなる研究が必要です。

これらの拡散単結晶の特徴の検出は、白色ビーム TOF 中性子回折、つまりエネルギー弁別回折技術を大面積検出器と当社の DAC の大きな角度散乱アパーチャと組み合わせて使用​​することによって最も確実に支援されたことは注目に値します。 極端に配向した構造が形成されるという事実は、実際、X 線 DAC におけるグラファイトの高圧多形の検出における過去の困難の一部に寄与している可能性があります。 多角度アプローチを含む我々の発見の完全な分析と追加の実験が進行中であり、完了したら発表される予定です。 それにもかかわらず、当社の中性子 DAC が炭素などの軽元素の状態図に対する新たな理解に貢献できることは明らかです。

中性子 DAC の現在の開発により、1 Mbar を超える中性子回折が初めて可能になりました。 驚くべきことに、このような高圧下でも、サンプルの角度分解回折情報を保持しながら、データ品質は定量的な構造の精密化に十分な品質を維持します。 これまでの氷上でのブレイクアウト研究では 1 Mbar に近い圧力が達成されていましたが 14,23、これらの研究のデータ品質は精製を可能にするのに十分な結晶学的品質ではなかったため、科学的洞察は得られませんでした。 しかし、精製の可能性は、金属水素化物、超硬窒化物、さまざまな氷などの研究など、詳細な原子位置と化学量論の決定を必要とする将来の研究にとって重要な前提条件です。 メガバールでの定量的中性子回折のこの機能は、中性子ユーザー施設の状況と枠組みの中で開発されています。 これは少数の選ばれた研究者だけが利用できるものではなく、幅広いコミュニティに公開されて利用可能です。 したがって、この開発は、さまざまな科学分野に多くの新たな可能性と機会をもたらし、シンクロトロン X 線技術ではすぐに答えることができない多くの差し迫った研究課題を解決するのに役立ちます。

さらに、DAC での in situ X 線粉末回折の過去の開発と関連して、これらの圧力記録と、それに対応して減少するサンプル量を考慮することは有益です。 最初のその場 X 線回折は 1977 年に実施され 42、その直後の 1978 年に 1 Mbar に達成されました 1。80 年代後半までに、マルチメガバールの実験を行うことが可能になりました 43,44。 ただし、最大圧力 6 Mbar で実験を実行するには 2010 年代までかかりました 10,11,12。 対照的に、精製可能な中性子回折は、90 年代初頭まで \(\sim \) 3 GPa までしか利用できませんでした。 その場中性子回折用のパリ・エディンバラ (PE) セルの開発は、1992 年に 10 GPa で完全に精製可能なデータを可能にする大きな進歩をもたらしました45、1995 年には \(\sim \) 25 GPa で測定されたデータの現在の記録です 13。 PE セル内の圧力は 40 GPa で、2019 年に達成されました 14。より高い圧力でありながら詳細化可能なデータを維持することが中性子 DAC で達成されたのは最近のことであり、2013 年には 52 GPa の圧力が可能になり 28、2019 年には 62 GPa の圧力が可能になりました 29。一方、他の中性子 DAC 研究でも次のような圧力を達成しています。 82 GPa21 と高いため、データは洗練されていません。

図 5 に示すように、X 線および中性子粉末回折のサンプル量と最大圧力を比較することは分かりやすいです。予想のとおり、高圧中性子回折に必要なサンプル量は、X 線回折に使用されるサンプル量よりもかなり多くなります。光線回折。 たとえば、中性子回折の最初の 25 GPa の精密化可能なデータには、同様の圧力での最初のシンクロトロン X 線回折中に使用されたサンプル量の 2 万倍近いサンプル量が必要でした。 ただし、中性子回折では、圧力の増加に伴うサンプル体積の減少が著しく急峻でした。 シンクロトロン X 線回折の場合、圧力が 25 GPa から 1 Mbar に増加するのに必要なサンプル体積は \(\sim \) の 10 分の 1 でした。 対照的に、中性子回折に同じ圧力を加えるには、サンプル量を 3500 分の 1 に減らす必要がありました。その結果、1 Mbar での中性子粉末回折に必要なサンプル量は、\(\sim \) の 5 ～ 6 倍にすぎません。この体積は、最初の 1 Mbar シンクロトロン X 線回折実験に使用されたものです。

高圧中性子および粉末 X 線回折の開発中に達成されるサンプル量と最大圧力。 X 線粉末回折の開発では、ガスケットを使用する DAC のみがここに追加されます。中性子粉末回折の開発では、PE セルと中性子 DAC (両方ともガスケットを使用) が示されます。 体積減少と圧力増加の記録を示す線が、目を誘導するために追加されます。 in situ 高圧粉末回折展開中のサンプル量は、小文字で示されているように文献から取得されています。(a) 199245 に取得された PE セル内の最初の 10 GPa 精製中性子粉末データ。 (b) 1995 年に取得された 26 GPa での最初の PE セル圧力データ 13。 (c) 2019 年に達成された PE セル内の 40 GPa 圧力を記録14。 (d、e) 2013 年と 2019 年にそれぞれ達成された 52 GPa と 62 GPa で中性子 DAC で得られた精密データ 28、29。 (f) 197742 年に最大 25 GPa で実施された最初のその場エネルギー分散型 X 線粉末回折。 (g) 1978 年の 1 Mbar での最初の現場 X 線回折測定。 (h、i) 198843 および 199044 に実施された非常に初期の 2 Mbar および 3 Mbar の現場 X 線回折。 (j、k) は、それぞれ 2018 年に達成された 6 Mbar と 6.15 Mbar の最新記録を表します11、12。

明らかに、最新のシンクロトロンおよび X 線 DAC 技術により、これらの最初の実験よりも大幅に少ないサンプル量を 1 Mbar で測定できるようになりました。 しかし、中性子源、中性子機器、中性子 DAC も開発が続けられています。 欧州核破砕源やORNLの第2ターゲットステーションなどの新しい施設では、全体の中性子束と明るさが進歩しています。 中性子 DAC 自体だけでなく、集束ガイドやコリメーションによるバックグラウンドの低減という点でも、機器の進歩が見られます。 したがって、中性子回折に必要なサンプル量は減少し、数メガバールの圧力でのシンクロトロン X 線回折に使用されている (または少なくとも以前に使用されていた) サンプル量に近づき続けることが予想されます。

ここで紹介するメガバール中性子 DAC は、シンクロトロン X 線回折によって日常的に検査されるのと同様の圧力まで中性子回折を可能にするための大きな一歩です。 この機能を開発してリリースすることにより、中性子回折によってのみ提供できる補完的な情報を必要とする科学の疑問に幅広いコミュニティに対処できるようになります。

４つの異なるダイヤモンドセルを以下のように調製した。 セル 1 とセル 2 には Ni 粉末 (<150 µm、金属ベース 99.999%、Sigma-Aldrich) が充填され、セル 3 には液体 D\(_2\)O (99.9 原子 % D、Sigma-Aldrich) が充填され、セル４にはグラファイト粉末（グラファイトｖ５９８）が装填された。

セル 1 は、炭化タングステンのシートと、直径 400 μm の最終穴が開けられた六方晶系窒化ホウ素製の上流コリメータを備えて準備されました。 セルには、ワシントン ダイヤモンド (WD Lab Grown Diamonds、ローレル、メリーランド州、米国) の CVD アンビルが装備されており、面取りすることなく 800 μm キューレットに研磨されました。 Re ガスケットを 80 μm まで押し込み、直径 400 μm まで穴を開けました。 カッピングを避けるために、ガスケットは薄い Al リング上でバランスが取られました。 圧力伝達媒体は使用されていません。 5.13トンの負荷荷重で圧力上昇中にセルが噴出した。

セル 2 は、エポキシと混合された天然非晶質ホウ素粉末で作られた上流コリメータを含むタングステンカーバイドシートで準備され、最終的に直径 250 μm の穴が開けられました。 セルには、ダブルベベルを備えた 600 µm キューレットに研磨された WD 製 CVD アンビルが装備されていました。 AW ガスケットは 70 μm まで凹み、直径 300 μm まで穴を開けられました。 圧力伝達媒体は使用されていません。 5 トンの荷重を \(\sim \) 15 分間保持した後、セルが爆発しました。

セル 3 は、エポキシと混合された濃縮ホウ素粉末 (\(^{10}\)B) で作られ、直径 250 μm に開けられた長さ 2 mm の穴を備えた上流コリメータを含むタングステン カーバイド シートで準備されました。 セルには、700 μm のベベルを備えた 640 μm キューレットに研磨された Almax (Almax easyLab、ベルギー、ディクスムイデ) の CVD アンビルが装備されていました。 AW ガスケットは 68 μm まで凹み、直径 295 μm まで穴を開けられました。 圧力伝達媒体は使用されていません。

セル 4 は、タングステンカーバイドシートと、エポキシと混合された濃縮ホウ素粉末 (\(^{10}\)B) で作られ、直径 340 μm に開けられた長さ 3 mm の穴を持つ上流コリメータで準備されました。 セルには、900 μm ベベルの 800 μm キューレットに研磨された WD 製の 5.5 \(\times \) 4.5 mm CVD が装備されていました。 AW ガスケットは 85 μm まで凹み、直径 370 μm まで穴を開けられました。 圧力測定のためにサンプルとルビーボールを装填した後、ORNL ガスローダー 26 を使用してセルに Ar をガス装填しました。 2.65 kbar の Ar ガス圧で、セルはガスローダー内に密閉され、ルビー蛍光によると 0.7 GPa の開始圧力が得られました。

高圧中性子回折は、SNS 専用の飛行時間型高圧回折計である SNAP ビームライン 25 で実施されました。 測定は、中性子集束ガイドと 60 Hz のチョッパー速度で 2.1 Å の中心波長を使用して実行されました。 これにより、帯域幅は \(\sim \) 0.5 ～ 3.65 Å になります。 Q カバレッジを最適化するために、検出器は \(2\theta = 65^{\circ }\) と \(2\theta = 105^{\circ }\) の中心位置に配置されました。 この機器は、正しい格子パラメータを与える校正標準、通常は同位体 \(^{11}\)B が豊富な NIST LaB\(_6\) または標準ダイヤモンド粉末を使用して校正されました。

ダイヤモンドセルを油圧プレスに入れてオンライン圧縮しました27。 ビームライン上のセルの初期アライメントは、アライメントレーザーと、ビームに沿ったアライメントのためにサンプル位置に焦点を合わせた光学系を介して行われました。 ビームに垂直な位置合わせは、中性子ビーム自体を使用してさらに洗練されました。 各圧力での収集時間は次のとおりです。セル 1 の Ni については 2.5 時間 (0.01 mm\(^3\) サンプル体積)。 セル 2 の Ni (サンプル体積 0.005 mm\(^3\)) の場合、長時間および短時間の実行ではそれぞれ 5 時間および 0.5 ～ 1 時間。 セル 3 の D\(_2\)O (サンプル体積 0.0046 mm\(^3\)) の短期および長期分析では、それぞれ 0.33 時間および 10 ～ 12 時間。 セル 4 のグラファイトの場合は 8 ～ 13 時間 (0.001 mm\(^3\) の開始ガスケット チャンバー容積)。

得られた回折データは、収集された機器のキャリブレーションを使用する Mantid フレームワーク 41 を使用して削減されました。 すべての DAC データの典型として、単結晶ダイヤモンドアンビルのピークは検出器上でマスクされ、粉末データから削除されました。

Ni データは校正され、正規化され、バックグラウンドが補正されました。 選択されたデータセットには、ダイヤモンドの減衰から生じる補正がさらに適用されました 34。 この場合、その後のリートベルト改良は GSAS-II35 を使用して実行されました。 定量的結晶学的分析に必要な還元および分析手順の複雑さの詳細については、補足資料を参照してください。

D\(_2\)O データは、Mantid で以前の D\(_2\)O 作業 29 と同じ方法、つまりキャリブレーション、バナジウム正規化、吸収およびバックグラウンド補正 (ダイヤモンド減衰を含む) を使用して削減されました。

グラファイト データは、基本的な SNAP ルーチンを使用して Mantid で削減されました。 正規化とバックグラウンド補正は、バナジウムピンと空の機器の測定を使用して実行されました。 追加のバックグラウンドは、Mantid の残りの実験バックグラウンドへのフィットとこのフィットの減算によって除去されました。 mantid マスキング ツールを使用して、 \(\sim \) 30 GPa 以上の圧力における単結晶のピーク強度を抽出しました。

すべての関連データは、合理的な要求に応じて対応著者から入手できます。

Mao、HK、Bell、PM、Shaner、JW & Steinberg、DJ Cu、Mo、Pd、Ag の比容積測定と、0.06 ～ 1 Mbar のルビー R1 蛍光圧力計の校正。 Ｊ．Ａｐｐｌ． 物理学。 49、3276 (1978)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Boehler, R. 高圧実験と下部マントルおよびコア物質の状態図。 地球物理学牧師。 38、221 (2020)。

記事 ADS Google Scholar

Silvera, I. 水素における絶縁体金属転移。 手順国立アカド。 科学。 107、12743 (2020)。

記事 ADS Google Scholar

ザー、A.ら。 立方晶窒化ケイ素の合成。 ネイチャー 400、340 (1999)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Boehler、R. ダイヤモンドセルと新素材。 メーター。 今日8、34（2005）。

記事 CAS Google Scholar

Dubrovinsky、L. et al. テラパスカル静圧での材料合成。 ネイチャー 605、274 (2022)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Drozdov, AP、Eremets, MI、Troyan, IA、Ksenofontov, V. & Shylin, SI 硫黄水素化物システムにおける高圧での 203 ケルビンでの従来の超伝導。 ネイチャー 525、73 (2015)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

ソマヤズル、M.ら。 メガバール圧力における超水素化ランタンにおける 260 K 以上の超伝導の証拠。 物理学。 レット牧師。 122、027001 (2019)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Kong、P. et al. 高圧下のイットリウム水素系で最大 243 K の超伝導。 ナット。 共通。 12、5075 (2021)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dubrovinsky, L.、Dubrovinskaia, N.、Prakapenka, V.、Abakumov, A. 6 Mbar を超える高圧研究用のマイクロボール ナノダイヤモンド アンビルの実装。 ナット。 共通。 3、1163 (2013)。

記事 ADS Google Scholar

Dewaele, A.、Loubeyre, P.、Occelli, F.、Marie, M.、Mezouar, O. 極度の静圧下での詳細な測定のためのトロイダル ダイヤモンド アンビル セル。 ナット。 共通。 9、2913 (2018)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

ジェネイ、Z.ら。 5 メガバールを超える高圧実験用の単結晶トロイダル ダイヤモンド アンビル。 ナット。 共通。 9, 3563 (2018)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

クロッツ、Ｓ．ら。 25 GPaを超える圧力での中性子粉末回折。 応用物理学。 レット。 66、1735 (1995)。

記事 ADS CAS Google Scholar

服部哲也 ほかパリ・エディンバラプレスを使用した40 GPaでの高圧中性子回折技術の開発。 ハイプレス。 解像度 39、417 (2019)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Klotz, S.、Casula, M.、Komatsu, K.、Mada, S. & Hattori, T. \({\rm ybd }_{2}\) から 34 GPa までの高圧構造と電子的性質。 物理学。 Rev. B 100、020101 (2019)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Goncharenko, I. および Loubeyre, P. 中性子および X 線回折による、固体重水素における対称性の破れた相転移の研究。 Nature 435、1206 (2005)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Goncharenko, I. 固体重水素における対称性の破れた相転移の中性子および X 線回折研究。 ハイプレス。 解像度 24、193 (2004)。

記事 ADS CAS Google Scholar

山下和也ほか単結晶中性子回折用のバルク金属ガラスシリンダーを備えたナノ多結晶ダイヤモンドアンビルセル。 ハイプレス。 解像度 40、88 (2020)。

記事 ADS CAS Google Scholar

山下和也ほかその場中性子回折による氷中の原子分布と局所構造 VII。 手順国立アカド。 科学。 119、e2208717119 (2022)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Grzechnik, A.、Meven, M. & Friese, K. 高温中性子によるダイヤモンド アンビル セルでの単結晶中性子回折。 Ｊ．Ａｐｐｌ． クリスタロガー。 51、351 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

小松和也 ほか中性子回折実験用のナノ多結晶ダイヤモンドアンビルセルの開発。 ハイプレス。 解像度 40、184 (2020)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Kozlenko, D.、Kichanov, S.、Lukin, E.、Savenko, B. 0.5 メガバール スケールの高圧研究用の DN-6 中性子回折計。 クリスタル 8、331 (2018)。

記事 Google Scholar

ベーラー、R. et al. 90 GPaを超える中性子回折用の大容量ダイヤモンドセル。 ハイプレス。 解像度 33, 546 (2013)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Boehler, R.、Molaison, JJ & Haberl, B. マルチカラット CVD アンビルを使用した中性子回折用の新しいダイヤモンド セル。 科学牧師。 インストラム。 88、083905 (2017)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Calder, S. et al. オークリッジ国立研究所の中性子粉末回折装置のスイートレベルのレビュー。 科学牧師。 インストラム。 89、092701 (2018)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Haberl, B.、Donnelly, M.-E.、Molaison, JJ、Guthrie, M. & Boehler, R. 水素化物超伝導体およびその他の金属水素化物の中性子回折研究の方法。 Ｊ．Ａｐｐｌ． 物理学。 130、215901 (2021)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Boehler, R.、Haberl, B.、Molaison, J. & Guthrie, M. 中性子回折用の大容量ダイヤモンド アンビル セルの開発: ORNL の中性子ダイヤモンド アンビル セル プロジェクト。 静的および動的高圧鉱物物理学 (Fei, Y. & Walter, M. 編) (Cambridge University Press、ケンブリッジ、2022)。 ISBN 978-1-108-47975-2。

ガスリー、M.ら。 高密度氷中の格子間陽子の中性子回折観察。 手順国立アカド。 科学。 110、10552 (2013)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

ガスリー、M.ら。 氷の構造と無秩序 VII 水素結合の対称化へのアプローチについて。 物理学。 Rev. B 99、184112 (2019)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Dewaele, A.、Torrent, M.、Loubeyre, P. & Mezouar, M. mbar 範囲での遷移金属の圧縮曲線: 実験とプロジェクター増強波計算。 物理学。 Rev. B 78、104102 (2008)。

記事 ADS Google Scholar

ヘムリー、R.ら。 H\(_2\)O-ice の 1.28 GPa (128 Mbar) への静的圧縮。 Nature 330、737 (1987)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ピゴット、J.ら。 ナノ加工された制御された形状の Ni/SiO2/Ni ダブル ホット プレート サンプルを使用した高圧、高温の状態方程式。 地球物理学。 解像度レット。 42、10239 (2015)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Mao, HK、Xu, J. & Bell, PM 準静水圧条件下でのルビー圧力計の 800 kbar の校正。 Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ． 解像度ソリッドアース 91、4673 (1986)。

記事 CAS Google Scholar

ガスリー、M.ら。 単結晶ダイヤモンド窓による放射線の減衰。 Ｊ．Ａｐｐｌ． クリスタロガー。 50、76 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Toby, BH & Von Dreele, RB GSAS-II: 最新のオープンソースの多目的結晶解析ソフトウェア パッケージの起源。 Ｊ．Ａｐｐｌ． クリスタロガー。 46, 544 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

Hanfland, M.、Syassen, K. & Sonnenschein, R. 圧力下でのグラファイトの光反射率。 物理学。 Rev. B 40、1951 (1989)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Goncharov, A.、Makarenko, I. & Stishov, S. 最大 55 GPa の圧力でのグラファイト: 光学特性とラマン散乱。 物理学。 JETP 69、380 (1989)。

ADS Google Scholar

内海 W. & 八木 T. グラファイトを室温で圧縮して形成される透光性相。 サイエンス 252、1542 (1991)。

記事 ADS CAS Google Scholar

マオ、W.ら。 圧縮された超硬グラファイトの結合が変化します。 サイエンス 302、425 (2003)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, Y.、Panzik, J.、Kiefer, B. & Lee, K. 室温での圧縮および減圧下でのグラファイトの結晶構造。 科学。 議員第 2 号、520 (2011)。

記事 Google Scholar

アーノルド、O.ら。 Mantid - 中性子散乱および \(\mu \)SR 実験のためのデータ分析および視覚化パッケージ。 Nucl. インストラム。 方法 物理学。 解像度宗派。 アクセル。 スペクトロム。 検出する。 准教授装備する。 764、156 (2014)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Buras, B.、Olsen, JS、Gerward, L.、Will, G.、および Hinze, E. シンクロトロン放射を使用した X 線エネルギー分散回折法。 Ｊ．Ａｐｐｌ． クリスタロガー。 10、431 (1977)。

記事 CAS Google Scholar

Vohra、YK、Duclos、SJ、Brister、KE、Ruoff、AL X 線回折による 255 GPa (2.55 Mbar) の静圧: ルビー圧力スケールの外挿との比較。 物理学。 レット牧師。 61, 574 (1988)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Mao、HK、Wu、Y.、Chen、LC、Shu、JF、Jephcoat、AP 300 GPa までの鉄および 260 GPa までの Fe0.8Ni0.2 合金の静的圧縮: コアの組成への影響​​。 Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ． 解像度ソリッドアース 95、21737 (1990)。

ベッソン、JMら。 高圧中性子回折による重水素化リチウムの状態方程式。 物理学。 Rev. B 45、2613 (1992)。

記事 ADS CAS Google Scholar

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著者らは、SNAP ビームラインのセットアップに協力してくれた Jamie J. Molaison と Antonio M. dos Santos (両方とも ORNL) に感謝の意を表します。 この研究は、米国エネルギー省の UT-Battelle, LLC が管理するオークリッジ国立研究所の研究所主導型研究開発プログラムによって後援されました。 この研究では、オークリッジ国立研究所が運営するDOE科学局ユーザー施設である破砕中性子源のリソースを使用しました。

この原稿は、米国エネルギー省との契約番号 DE-AC05-00OR22725 に基づいて、UT-Battelle, LLC によって執筆されました。 米国政府は、記事の出版を受け入れることにより、米国政府がこの原稿の出版された形式を出版または複製するための非独占的、支払済み、取消不能な世界規模のライセンスを保持していることを認めます。または、米国政府の目的のために、他の人がそうすることを許可すること。 エネルギー省は、DOE パブリック アクセス プラン (http://energy.gov/downloads/doe-public-access-plan) に従って、連邦政府が支援する研究結果へのパブリック アクセスを提供します。

中性子散乱部門、中性子科学総局、オークリッジ国立研究所、オークリッジ、テネシー州、37830、米国

ビアンカ・ハーバール、マルコム・ガスリー、ラインハルト・ベーラー

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RBとBHがこの研究を発案した。 RB はダイヤモンドセルを設計および準備し、BH が実験を主導して以前の中性子および X 線回折実験にコンテキストを提供し、MG が厳密なデータ分析を主導しました。 著者全員がその結果について議論し、原稿を書きました。

ビアンカ・ハベールへの手紙。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Haberl, B.、Guthrie, M. & Boehler, R. メガバールの圧力における軽元素の正確な構造測定のための中性子回折の進歩。 Sci Rep 13、4741 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31295-3

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受信日: 2022 年 11 月 8 日

受理日: 2023 年 3 月 9 日

公開日: 2023 年 3 月 23 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31295-3

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