Faire progresser la diffraction des neutrons pour une mesure structurelle précise des éléments légers à des pressions de l'ordre du mégabar

Oct 27, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4741 (2023) Citer cet article

726 accès

58 Altmétrique

Détails des métriques

Au cours des 60 dernières années, la cellule à enclume de diamant (DAC) est devenue l'outil de choix dans la science des hautes pressions, car les matériaux peuvent être étudiés à des pressions de l'ordre du mégabar à l'aide de rayons X et de sondes spectroscopiques. En revanche, la plage de pression pour la diffraction des neutrons a été limitée en raison du faible flux de neutrons même aux sources les plus fortes et des grandes tailles d'échantillons qui en résultent. Ici, nous introduisons un DAC à neutrons qui permet de sortir de la plage de pression auparavant limitée. Les éléments clés sont des guides à roulement à billes pour une meilleure stabilité mécanique, des diamants synthétiques de qualité gemme avec un nouveau support d'enclume et une meilleure collimation dans le siège. Nous démontrons un record de pression de 1,15 Mbar et une analyse cristallographique à 1 Mbar sur l'exemple du nickel. De plus, des informations sur le comportement de phase du graphite à 0,5 Mbar sont décrites. Ces développements techniques et analytiques permettront en outre des études structurales sur des matériaux à faible Z difficiles à caractériser par rayons X.

Cela fait plus de 40 ans que le « mur du son » permettant d'atteindre la pression d'un mégabar (= 100 GPa) a été franchi dans une cellule à enclume en diamant1 et le domaine de la recherche sur la haute pression a considérablement progressé depuis. Les conditions du noyau et du manteau inférieur de la Terre peuvent maintenant être simulées et de nombreuses questions géophysiques ont été abordées2. De même, la compréhension physique des diagrammes de phase a énormément progressé et, par exemple, plusieurs nouvelles phases à haute pression ont été identifiées dans le « plus simple » de tous les matériaux, l'hydrogène (voir revue récente3). De plus, de nouveaux matériaux peuvent désormais être synthétisés dans des conditions de haute pression (et de haute température) tels que divers nitrures4,5,6 et, en particulier récemment, des superhydrures supraconducteurs, par exemple7,8,9. Enfin, le champ continue d'être très actif et des pressions de plusieurs mégabars ont été récemment atteintes avec des enclumes en diamant de forme toroïdale sophistiquées ou des techniques à double étage10,11,12.

Le point commun à beaucoup de ces études est le fait que la détermination de la structure in situ sous pression est effectuée par diffraction des rayons X. Bien qu'une telle diffraction des rayons X in situ soit très puissante, il existe de sérieuses limitations en ce qui concerne les éléments à faible Z. Ici, la diffraction des neutrons est devenue un outil important. Non seulement les neutrons sont sensibles à de nombreux éléments à faible Z, mais ils sont également capables de faire la distinction entre différents isotopes. Les neutrons étant porteurs d'un moment magnétique, ils permettent également la détection de la diffraction magnétique de Bragg. Ainsi, un certain nombre de questions très importantes dans la science des hautes pressions ne peuvent être résolues que par la diffraction des neutrons. Par exemple, pour la géophysique, la diffraction des neutrons peut étudier la nature de l'eau dans les minéraux ou peut fournir des connaissances sur la densité et la structure des glaces d'eau, de méthane et d'autres composés légers. La diffraction des neutrons est essentielle pour la compréhension des diagrammes de phase des éléments légers tels que l'hydrogène ou le carbone. Compte tenu des superhydrures métalliques récemment découverts, la diffraction des neutrons peut révéler la position exacte de l'hydrogène dans la matrice métallique, fournissant ainsi des informations structurelles importantes.

Cependant, contrairement à la diffraction des rayons X, le flux neutronique relativement beaucoup plus faible des installations neutroniques existantes nécessitait des volumes d'échantillons relativement importants limitant ainsi la pression à quelques dizaines de GPa. Jusqu'à récemment, les pressions maximales typiques dans la plupart des installations des utilisateurs étaient limitées à \(\sim \) 25 GPa lors de l'utilisation des cellules Paris-Édimbourg13, bien que des études récentes de cassure jusqu'à 40 GPa aient été rapportées14,15.

Pour pousser à des pressions plus élevées, plusieurs itérations de cellules à enclumes en diamant à neutrons (DAC) ont été développées au fil du temps. Un important corpus de travaux a commencé à l'Institut Kurchatov de Moscou et a ensuite été transféré et amélioré en France. Là, des études jusqu'à 40 GPa sur des matériaux comme l'hydrogène16 ou sur des matériaux magnétiques ont été réalisées17. Cependant, ces études n'ont pu identifier qu'un très petit nombre de réflexions, insuffisant pour une analyse cristallographique et des informations complètes sur la structure. Par conséquent, plusieurs efforts dans le monde ont tenté de poursuivre le développement des CNA neutroniques. Ces efforts se sont concentrés sur des données de haute qualité obtenues par diffraction sur monocristal à l'Institut-Laue-Langevin18,19 ou à la Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier–Leibnitz20 ainsi que sur des capacités de pression plus élevées en utilisant la diffraction de poudre au Japan Proton Accelerator Research Complex (J -PARC)21, le Frank Laboratory of Neutron Physics22, ainsi qu'à la Spallation Neutron Source (SNS)23,24 du Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL).

Atteindre des pressions en mégabars dans une expérience de diffraction de neutrons ne se fait pas simplement en mettant à l'échelle des CNA conventionnels tels qu'utilisés pour la diffraction des rayons X. En règle générale, pour atteindre un mégabar dans un DAC, des tailles de colettes ne dépassant pas \(\sim \) 100 µm sont utilisées. Pour la diffraction des neutrons, où les tailles d'échantillon doivent être beaucoup plus grandes, la taille minimale de colette a été dans le régime millimétrique. Cette plus grande surface multiplie par plus de 10 la force requise à plusieurs tonnes métriques généralement fournies par une membrane à gaz ou une presse hydraulique. Le principal problème est que ces forces élevées induisent des contraintes de cisaillement importantes dans le corps de la cellule en diamant et donc dans les enclumes en diamant et dépassent également la résistance des sièges d'enclume, ce qui entraîne une défaillance fréquente de l'enclume en diamant.

Néanmoins, au SNS, des efforts sont en cours depuis plus de 10 ans pour développer la diffraction des neutrons au mégabar. Ces efforts se sont concentrés sur le diffractomètre haute pression Spallation Neutrons and Pressure (SNAP)25. SNAP est un instrument à flux élevé et à résolution moyenne équipé d'une optique avancée de focalisation des neutrons et de détecteurs de grande surface qui utilise la diffraction des neutrons par temps de vol (TOF) à faisceau blanc. Cette combinaison de diffraction TOF à faisceau blanc et de large couverture angulaire présente des avantages pour les études à haute pression, en particulier une couverture Q accrue, une capacité à évaluer la texture ainsi qu'une capacité à gérer des sections bloquées ou fortement atténuées de la gamme 2θ (depuis un une partie importante du diagramme de diffraction complet peut être mesurée à chaque 2θ en raison de la nature dispersive en énergie de la diffraction TOF à faisceau blanc). Cela permet d'utiliser des matériaux absorbants dans la configuration de la cellule de pression, en particulier des matériaux de joint, sans compromettre la plage Q, un fait qui a grandement profité aux études DAC sur SNAP26,27.

Au fil du temps, plusieurs itérations de DAC ont été développées sur SNAP. Initialement, ceux-ci ont utilisé un support d'enclume très élaboré23, qui a atteint avec succès plus de 90 GPa23 et obtenu des données cristallographiques de haute qualité sur la glace d'eau jusqu'à 52 GPa28. Cependant, l'ouverture de diffusion disponible et donc la gamme Q ont sévèrement limité les études possibles à des systèmes cubiques simples. Encore plus préjudiciable, la conception était très coûteuse et irréalisable pour un programme utilisateur. La mise à niveau suivante s'est donc concentrée sur de très gros diamants synthétiques obtenus par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) afin de réduire les contraintes dans les supports d'enclumes24. Ceux-ci ont permis une analyse cristallographique complète et un raffinement structurel à 62 GPa29 sur de la glace d'eau et ont été déployés avec succès pour un programme utilisateur plus large. Plus récemment, les efforts du DAC au SNAP ont tenté de tirer parti de deux facteurs clés, un flux accru de l'installation globale (qui fonctionne désormais à 1,4 MW) et des améliorations importantes de la ligne de lumière (un système de détection amélioré et un système de focalisation des neutrons considérablement amélioré système de guidage). Malgré ces mises à niveau, la pression maximale dans les DAC est restée à 65 GPa, une barrière qui ne pouvait tout simplement pas être surmontée avec ces grandes enclumes CVD et ces corps cellulaires.

Nous présentons ici le développement de nouveaux CNA à neutrons basés sur des enclumes en diamant synthétique de qualité gemme plus petites, des corps cellulaires ultra-haute précision et de nouveaux supports d'enclumes ainsi qu'une collimation de bore intégrée de haute précision pour des arrière-plans réduits. Ces nouveaux CNA tirent parti des récentes mises à niveau transformatrices de la ligne de lumière, car un flux plus élevé permet des volumes d'échantillons plus petits et donc de nouveaux concepts pour les CNA. Ces nouvelles conceptions permettent désormais d'obtenir des données de haute qualité à partir de DAC équipés de colettes de 700 et 800 µm à un mégabar et plus. On peut s'attendre à ce qu'une telle diffraction des neutrons à des pressions de l'ordre du mégabar permette de nouvelles orientations scientifiques et réponde à des questions pressantes en géosciences, en physique, en chimie et en science des matériaux.

La cellule à enclume en diamant pour la diffraction des neutrons au mégabar est un dispositif piston-cylindre à enclume opposée avec une ouverture de 80 degrés adaptée au diffractomètre à neutrons haute pression SNAP25,26 dédié de SNS. Le faisceau de neutrons entre le long de l'axe de pression et se diffuse radialement à partir de cet axe de pression. Une stabilité et une précision mécaniques très élevées dans le corps de la cellule ont été obtenues en utilisant des roulements à rouleaux en acier entre le piston et le cylindre illustrés à la Fig. 1a. Ces roulements à rouleaux ont essentiellement éliminé les contraintes de cisaillement qui étaient toujours présentes dans les cellules de pression précédentes, qui étaient très probablement la principale cause de défaillance prématurée de l'enclume. De plus, ces roulements à billes linéaires ont l'avantage supplémentaire d'un fonctionnement presque sans frottement à basse température, éliminant le « gel » bien connu du piston et du cylindre dans les cellules conventionnelles.

De nouvelles géométries d'enclumes en diamant ont été développées pour permettre un support radial et axial optimal des enclumes coniques en diamant CVD. Les enclumes ont des dimensions de 5 mm de diamètre et 4 mm de hauteur. L'angle du pavillon est de 40\(^{\circ }\) et l'angle du cône inférieur est de 30\(^{\circ }\). La conception s'adapte à la fois au support axial et radial de l'enclume. Alors que le support conique seul provoquait une rupture de l'enclume due à la déformation plastique ou à la fissuration du siège (carbure de tungstène ou diamant polycristallin)23,24, le simple support axial/plat conduit à la fissuration des gros diamants le long de l'axe en raison de la déformation élastique ou plastique du matériau du siège (acier ou carbure de tungstène). La combinaison d'anneaux de liaison radiaux en acier et de supports plats à haute résistance (carbure de tungstène ou acier) a considérablement amélioré la stabilité des enclumes permettant des expériences de routine à plus de 50 GPa. En effet, des enclumes de dimensions 5 \(\times \) 4 mm pouvaient supporter des forces jusqu'à 8 tonnes, soit environ 80 kN, sans défaillance. Les figures 1b,c montrent une enclume et un support combinant un support axial et radial. La taille des colettes varie généralement de 600 à 900 µm, ce qui permet des volumes d'échantillons compris entre 0,004 et 0,014 mm\(^{3}\).

Cellule à enclume en diamant à neutrons mégabar. (a) Une photo des différentes parties de la cellule, des roulements à rouleaux, du piston supérieur, y compris le siège et l'enclume, du corps de la cellule, y compris le siège et l'enclume opposés, et du capuchon de fermeture supérieur. (b) Une photo du siège et de l'enclume, y compris l'anneau de fixation en acier utilisé comme support supplémentaire. (c) Un schéma 3D créé dans Autodesk Fusion 360 (V2.0.15050, https://www.autodesk.com/products/fusion-360) du siège et de l'enclume, y compris le collimateur intégré au siège composé de bore amorphe avec un petite quantité d'époxy. Une photo en gros plan du siège en vue de dessus montre l'ouverture pour le faisceau entrant formée par le collimateur. Le diamètre du trou dans le siège est ainsi de 1 mm de diamètre.

Les sièges des enclumes étaient en carbure de tungstène avec une ouverture de 23\(^{\circ }\) (voir Fig. 1). Étant donné que le faisceau de neutrons entrant est très divergent et plus grand que l'échantillon, le siège en amont nécessite un collimateur intégré qui permet l'absorption de tous les neutrons n'éclairant pas l'échantillon. Ce collimateur est composé d'un mélange de poudre de bore (B naturel amorphe ou cristallin enrichi en isotopes \(^{10}\)B) et d'une petite quantité d'époxy. Il est foré sur mesure pour chaque expérience et permet des niveaux de fond bas systématiquement adaptés à une taille de colette donnée. Suite à sa fabrication, l'enclume en diamant est optiquement alignée sur le collimateur. Typiquement, les dimensions de la colette, du trou de joint et du collimateur sont respectivement de 700 µm, 300 µm et 280 µm. L'alignement et l'efficacité des collimateurs sont vérifiés en surveillant les pics de diffraction du joint de rhénium décrit ci-dessous.

Le joint en acier inoxydable initialement utilisé (301, full hard)23,24 limitait les pressions à environ 65 GPa. Alors que Re, et dans une moindre mesure également W, ont une section efficace d'absorption élevée pour les neutrons, ce n'est pas un problème pour le fonctionnement sur le diffractomètre SNAP de SNS. Là, la large plage angulaire disponible via les détecteurs mobiles permet des placements de détecteurs tels que seuls de petits éclats de plage \ (2 \ thêta \) sont atténués par le joint. En raison de l'utilisation de la diffraction des neutrons TOF plutôt que d'un faisceau monochromatique, cela permet toujours d'accéder à toute la gamme Q souhaitée.

Les CNA à neutrons mégabars décrits ici permettent ainsi la haute précision nécessaire dans l'alignement et le fonctionnement, la stabilité nécessaire dans l'utilisation du support d'enclume radial et du joint ainsi qu'un volume d'échantillon suffisant pour des données de diffraction de neutrons de haute qualité.

Une gamme d'échantillons à différentes tailles d'échantillon et à des pressions maximales ont été analysées sur la ligne de lumière SNAP en utilisant ces conceptions d'enclume et de cellule. Ici, nous montrons trois échantillons de matériaux différents qui couvrent une gamme de types d'échantillons : le premier échantillon est de la poudre de nickel solide chargée sans milieu de pression, le deuxième échantillon est de la glace d'eau chargée sous forme liquide et le troisième échantillon est du graphite chargé avec de l'argon gazeux utilisé comme pression. milieu de transmission. Les données de diffraction in situ ont été recueillies lors de la pressurisation à l'aide d'une presse hydraulique DAC27. Les courbes pression-charge qui en résultent sont illustrées à la Fig. 2.

Courbes pression-charge obtenues à partir du nickel, de la glace d'eau et du graphite. La pression pour les données Ni et D\(_2\)O a été obtenue à partir des données de diffraction elles-mêmes en utilisant les équations d'état Ni et D\(_2\)O, respectivement. Pour ceux-ci, les pressions ont été déterminées par des ajustements gaussiens aux données de diffraction (cercles noirs et étoiles, respectivement). De plus, pour de courtes séries, les pressions ont été déterminées visuellement à partir des positions maximales (cercles gris) dans un cas. Pour le graphite chargé en Ar la pression a été obtenue par la méthode de fluorescence rubis (diamants noirs). Reportez-vous au texte principal et à la section des méthodes pour plus de détails. Dans tous les cas, un ajustement a été ajouté pour guider l'œil. Pour le Ni et le graphite, des ajustements polynomiaux du 2e ordre ont été utilisés, tandis que deux ajustements linéaires distincts devaient être utilisés pour se conformer à un changement distinct de pente à \(\sim \) 60 GPa pour la glace.

Pour la poudre de Ni, deux séries différentes utilisant des colettes de 800 µm et 600 µm sont présentées. La pression a été déterminée à partir des données accumulées sur toute la période de collecte et sur les deux rives. Après réduction des données et correction de fond, les réflexions 111, 220 et 200 Ni ont été équipées séparément d'une gaussienne chacune pour extraire le paramètre de réseau a, qui a ensuite été utilisé pour le calcul de la pression. Ceci a été réalisé pour tous les points de pression obtenus avec des colettes de 800 µm et tous les points de pression à longue exposition obtenus avec des colettes de 600 µm. De plus, la pression a été déterminée visuellement à partir des données indépendamment pour les réflexions 111, 220 et 200 pour tous les ensembles de données. La pression a ensuite été calculée indépendamment pour chaque réflexion et les points de pression indiqués sur la courbe pression-charge présentent la moyenne tandis que l'incertitude fournie est l'écart type correspondant. La variation réelle due aux variations positionnelles/angulaires et/ou également aux gradients de pression peut donc être plus élevée. De plus amples détails sont fournis dans le matériel supplémentaire.

Pour les deux chargements de Ni, une augmentation rapide et relativement linéaire de la pression avec la charge est observée initialement, tandis que la courbe commence à s'aplatir à des charges plus élevées indiquant un creusement des colettes d'enclume. La pression maximale obtenue avec le 800 µm était de 1 Mbar à 5 tonnes. Lors d'une nouvelle augmentation de la charge, les enclumes se sont effondrées à 5,13 tonnes métriques. Plus précisément, \(V/V_0\) = 0,7565 ± 0,0008 a été mesuré expérimentalement. En utilisant un Vinet EoS avec \(B_0\) = 183 GPa et \(B'_0\) = 4,9930, cela donne une pression de 100 GPa. Notez que toutes les pressions de Ni présentées dans les figures ici sont basées sur cet EoS. Cependant, il convient de noter qu'un EoS32 plus récent utilisant un Birch Murnaghan de 3e ordre avec \(B_0\) = 201 GPa, \(B_0'\) = 4,4 donne une pression de 104 GPa pour ce \(V/V_0\) . La cellule avec culettes de 600 µm atteint 1,15 Mbar à 5 tonnes. Plus précisément, \(V/V_0\) = 0,738 ± 0,003 a été mesuré expérimentalement. Cela équivaut à une pression de 115 GPa avec l'EoS Vinet et de 120 GPa avec l'EoS Birch-Murnaghan d'ordre 3 cité ci-dessus. Il convient de noter que cette cellule est tombée en panne après \(\sim \) 1 h de collecte de données à cette charge et à cette pression.

Ensuite, une courbe pression-charge obtenue à partir de la glace d'eau (ici D\(_2\)O pour améliorer la diffusion cohérente des neutrons) est présentée. Contrairement à la poudre de Ni solide, il s'agissait d'un chargement d'échantillon liquide. Cela présente des défis supplémentaires en termes de chargement et de stabilité du joint lors de la compression. Comme pour le Ni, la pression a été déterminée à partir des données de diffraction accumulées, échantillonnées sur toute la durée d'exposition et les deux zones de détection. Un ajustement gaussien à la réflexion 110 a été utilisé pour extraire le paramètre de réseau. Pour calculer la pression, nous avons utilisé \(V_0\) = 12,3 cm\(^3\) mol\(^{-1}\), \(B_0\) = 23,7 GPa et \(B'_0\) = 4,15 avec un EoS31 à déformation finie Birch–Murnaghan.

Pour cette course particulière sur la glace, la pression a été augmentée relativement rapidement jusqu'à 65 GPa, la limite de pression dans la plupart des courses précédentes. Jusqu'à cette pression, de courtes périodes de collecte de 20 min ont été réalisées, suffisantes pour déterminer les pressions à partir des principaux pics de diffraction et une équation d'état. Au-dessus de 65 GPa, des collectes de données plus longues ont été effectuées. Cela a donné une pression maximale de 88,6 GPa pour la colette de 640 µm utilisée ici. Un coude intrigant est observé dans la courbe pression-charge à \(\sim\) 60 GPa, c'est-à-dire dans le régime de pression où des défaillances de joint/enclume auparavant catastrophiques se produisaient systématiquement. Au-dessus et au-dessous du coude à \(\sim \) 60 GPa, la courbe pression-charge est linéaire, bien qu'à deux pentes différentes. Une autre expérience hors ligne plus détaillée avec H\(_2\)O chargé également dans un DAC à neutrons mais utilisant le rubis comme étalon de pression, n'a révélé aucun changement de pente discontinu dans la courbe de charge de pression. Cependant, il est intéressant de noter que le gradient de pression dans la chambre d'échantillonnage restait constant à 3-4 GPa lors de l'augmentation de la pression. Un manuscrit sur les détails de ces découvertes est en préparation.

Cela donne un aperçu utile des gradients de pression globaux. Bien qu'aucun élargissement significatif des raies de diffraction n'ait été observé lors de l'augmentation de la pression, il convient de noter que SNAP est uniquement un diffractomètre à résolution moyenne et que, par conséquent, l'élargissement jusqu'à un certain point peut ne pas être détecté. Globalement, ce gradient de pression observé pour H\(_2\)O est similaire en amplitude à la variation/incertitude des pressions déterminées pour Ni, c'est-à-dire la variation due à un positionnement angulaire différent (\(\sim \) 6,5 GPa à 100 GPa, voir supplément). Comme dans les études antérieures de diffraction des rayons X, ces variations/gradients de pression peuvent à l'avenir être surmontés en utilisant des milieux de pression hydrostatique en combinaison avec un recuit laser.

La courbe pression-charge finale présentée ici est obtenue à partir de graphite mesuré (quasi-)hydrostatiquement avec un milieu de transmission de pression Ar chargé dans le DAC à 2,6 kbar à l'aide du chargeur de gaz de l'ORNL26. Contrairement aux exemples de Ni et de glace, ici l'échantillon n'a rempli qu'une fraction de la chambre entière pour atteindre des conditions (quasi-)hydrostatiques. Cette expérience démontre la capacité d'obtenir de bons diagrammes de diffraction sur des échantillons encore plus petits, ce qui est important pour de futures expériences utilisant par exemple des échantillons métalliques chargés en hydrogène.

Ici, la pression a été obtenue en utilisant la méthode de fluorescence rubis. Une échelle de rubis hydrostatique30 a été utilisée jusqu'à \(\sim \) 20 GPa, à des pressions plus élevées, l'échelle de rubis non hydrostatique33 a été utilisée à la place. La pression a été mesurée avant et après chaque collecte de données, la pression augmentant de 1 à 3 GPa pendant les longues collectes. Toutes ces mesures sont incluses ici. Le graphite a été chargé à 2,5 tonnes métriques donnant une pression maximale juste au-dessus de 50 GPa. A cette pression, le joint a commencé à se déformer de manière asymétrique et la cellule s'est décomprimée. Les enclumes ont été récupérées avec succès. Ceci est remarquable car le graphite comprimé a tendance à casser les enclumes.

Malgré les très petits volumes d'échantillons en termes de diffusion des neutrons, la qualité des données est suffisante pour l'analyse cristallographique utilisant les approches Rietveld conventionnelles. Bien que l'obtention de pressions de l'ordre du mégabar pour la diffraction des neutrons soit une avancée décisive, il est tout aussi important que non seulement les positions des pics de Bragg soient déterminées avec précision, mais également leurs intensités. Il s'agit d'une condition préalable essentielle pour exploiter la capacité des mesures de diffraction des neutrons à déterminer la stœchiométrie et les positions atomiques des atomes légers, comme dans les glaces D\(_2\)O/H\(_2\)O et les superhydrures métalliques. Une illustration de la qualité des données qui peut être obtenue est illustrée à la Fig. 3.

Diffraction neutronique à haute pression du nickel. Données de diffraction neutronique obtenues à partir de Ni dans une cellule avec (a) culettes de 800 µm et (b) culettes de 600 µm. ( c ) Raffinement quantitatif de Rietveld effectué sur Ni mesuré à 100 GPa dans la cellule de colette de 800 µm après correction complète du fond. L'ensemble de données est présenté par les données mesurées (en gris), les données calculées (en couleur) et la fonction de différence en dessous. Dans tous les tracés, Ni est en outre indexé selon la cellule unitaire cubique de Ni, \(Fm\overline{3} m\).

Ni est choisi ici comme élément d'exemple en raison de sa structure cubique à haute symétrie, de sa section efficace de diffusion neutronique cohérente élevée et du fait qu'il ne présente pas de transitions de phase de structure dans le régime de pression sondé. Ce dernier permet une détermination fiable de la pression à partir des données de diffraction mesurées, comme démontré ci-dessus, et évalue la précision de l'approche de réduction des données. Les figures 3a, b montrent les données de diffraction du Ni collectées dans des CNA avec des colettes de 800 µm et 600 µm, respectivement. Les données ont été normalisées au vanadium, pour tenir compte des artefacts instrumentaux tels que la dépendance à la longueur d'onde du flux incident et l'efficacité des détecteurs (voir les détails dans le matériel supplémentaire) et ont eu des arrière-plans expérimentaux soustraits. De plus, l'ensemble de données illustré à la Fig. 3c a été corrigé pour l'atténuation du faisceau incident par la diffusion de Bragg de l'atténuation du diamant en amont34.

La diffraction TOF est une technique de dispersion d'énergie, dans laquelle le temps de transit des neutrons détectés peut être utilisé pour résoudre leurs énergies. En conséquence, un diagramme de diffraction complet peut être extrait des neutrons diffusés même dans un petit angle solide. Lorsqu'il est combiné avec des détecteurs de grande surface, cela facilite un aperçu puissant de la microstructure de l'échantillon, car les observations à différents angles échantillonnent les sous-ensembles de cristaux orientés différemment par rapport au faisceau (et, dans notre cas, l'axe de charge). Ici, cependant, nous avons choisi de combiner les pixels d'une large plage angulaire (allant de 61\(^{\circ }\) à 126\(^{\circ }\)), car l'augmentation du nombre total améliore les statistiques de notre la mesure. Certaines considérations doivent être prises en compte lors de la combinaison de données mesurées à différents angles, dont nous discutons dans le matériel supplémentaire.

Afin de réaliser le raffinement indiqué, la conversion du temps de vol en espacement d et la résolution du diffractomètre ont été déterminées à partir des mesures d'une poudre étalon de diamant collectée avec une plage angulaire identique aux données de Ni. Cela a été fait en utilisant des processus d'étalonnage standard, développés pour le progiciel GSAS-II35 Rietveld. La structure cristalline de Ni n'a pas de positions atomiques affinables, de sorte que les seuls paramètres cristallographiques affinés étaient le paramètre de réseau et un seul paramètre de déplacement atomique isotrope (ADP) pour le noyau Ni, \(U_{iso}(Ni)\). L'ajustement résultant, donnant un réduit-\(\chi ^2=1.169\). Le paramètre de réseau raffiné était \(a = 3,2123(6)\)Å et \(U_{iso}(Ni)=0,0109 (27)\)Å\(^2\). Une amélioration supplémentaire significative a été trouvée en ajoutant un modèle sphérique-harmonique à un seul coefficient d'orientation préférée (PO) au raffinement. Cela a fait chuter le -\(\chi ^2\) réduit à 0,992 et a visiblement amélioré l'ajustement, en particulier au voisinage de la réflexion de 200 et a abouti à un indice de texture de 1,067. Le paramètre de réseau est resté inchangé dans l'erreur dans le raffinement PO, bien que l'ADP ait significativement réduit à \(U_{iso}(Ni)=0,0030(27)\)Å\(^2\). Cet ajustement résultant est celui illustré à la Fig. 3c.

Le bon ajustement entre un modèle de la structure bien connue de Ni et nos données démontre la fiabilité de nos procédures de réduction des données. De plus, ce raffinement démontre assez clairement que des raffinements neutroniques structurels complets et quantitatifs sont réalisables même à des pressions de l'ordre du mégabar. De plus, l'absence d'élargissement des pics d'échantillon, au-delà de la résolution instrumentale native, suggère des gradients de cisaillement étonnamment faibles, qui sont potentiellement minimisés par la coupe des colettes de diamant (relativement grandes) dans nos conditions de très haute pression. Il convient également de noter la faible quantité de PO, malgré l'absence de milieu sous pression, qui pourrait être, au moins en partie, attribuée à notre capacité à faire la moyenne sur une large gamme d'orientations de cristallites pour chaque pic de Bragg que nous mesurons. Enfin, cette plage angulaire présente en outre l'avantage de délivrer une bonne plage Q permettant la détection d'un bon nombre de pics même pour des systèmes à haute symétrie comme le Ni.

Il est clair que ces expériences sur Ni démontrent la réalisation de la diffraction des neutrons au mégabar ainsi que le fait qu'une analyse cristallographique complète reste possible à ces pressions. Ensuite, il est intéressant de démontrer que ces nouveaux CNA de neutrons peuvent en effet répondre à des questions difficiles en science des hautes pressions qui ne sont pas facilement étudiées par la diffraction des rayons X. Ces études nécessitent souvent une charge de gaz, impliquent des matériaux à faible Z et sondent généralement des matériaux avec une symétrie inférieure à celle du Ni cubique ou du D\(_2\)O. Ici, nous le démontrons sur l'exemple du graphite chargé dans un DAC avec Ar comme milieu de transmission de pression doux. Ceci est choisi pour plusieurs raisons: (i) Le carbone est un élément à faible Z et, par conséquent, les études DAC de diffraction des rayons X antérieures sur le graphite ont toujours dû faire face à des fonds élevés résultant de la diffusion Compton des enclumes de diamant. (ii) Une étude impliquant le chargement de gaz met en évidence que la collecte de données est possible même si la chambre du joint n'est pas entièrement remplie d'échantillon. De plus, alors que le chargement de gaz impliquait ici un gaz inerte, la même procédure peut être étendue à l'hydrogène, par exemple. (iii) Le graphite présente une structure hexagonale. (iv) De toute évidence, le diagramme de phase du carbone continue d'intriguer et de nombreuses questions ouvertes demeurent.

Plus précisément ici, le comportement à haute pression du graphite reste d'un intérêt considérable car le graphite ne se transforme pas directement en diamant lors de la compression. Au lieu de cela, des phases intermédiaires se forment. Une phase transparente se forme entre 14 et 18 GPa36,37,38, une formation qui dépend essentiellement de la forme exacte du graphite utilisé et des conditions de compression. Ces études précédentes se concentraient cependant sur des méthodes optiques, et donc la structure n'a pas été déterminée. Bien que les études de diffraction des rayons X synchrotron in situ sur le graphite comprimé dans un DAC soient difficiles, certaines études ont été menées. Ceux-ci indiquent que cette nouvelle structure est super-dure39, peut posséder la structure monoclinique du carbone M mais ne nuclée que très lentement au fil du temps40. Les détails de la nature de cette structure, sa dépendance au graphite initial utilisé et le curieux facteur temps critique de la nucléation posent encore de nombreuses questions ouvertes qui pourraient être résolues par la diffraction des neutrons à haute pression.

Ici, les données de diffraction du graphite de la pression ambiante à \ (\ sim \) 50 GPa sont présentées à la Fig. 4. La pression initiale de 0,7 GPa a été scellée pendant le chargement du gaz. Des différences intéressantes par rapport aux anciennes données de diffraction des rayons X à haute pression39,40 sont évidentes dans cet ensemble de données de pression ambiante. Plus précisément, dans nos données de diffraction, la réflexion 004 est observée bien qu'elle soit généralement absente des données DAC de diffraction des rayons X39,40. Une inspection plus approfondie de nos données résolues par angle plutôt que résumées sur tous les bancs de détecteurs montre que le 004 n'est pas présent dans les mêmes panneaux de détecteurs que le 002. Une analyse cristallographique complète est donc en attente du développement d'approches multi-angles pour le raffinement de Rietveld (voir supplément matériel).

Diffraction neutronique à haute pression du graphite chargé d'Ar milieu sous pression. ( a ) Diagrammes de diffraction de poudre à pression ambiante proche de 16 GPa indexés sur la base de la cellule unitaire hexagonale du graphite, \ (P6_3 / mmc \). Les données finement regroupées sont représentées par des cercles (gris) et les lignes pleines montrent des données plus grossièrement regroupées pour plus de clarté. ( b ) Vue du détecteur 2D extraite de MantidWorkbench (V6.1.0, https://www.mantidproject.org/) 41 montrant les caractéristiques monocristallines diffuses observées à 50 GPa dans une plage d de 1, 1 à 2, 1 Å. Les arrière-plans cellulaires tels que les pics de diamant monocristallin sont masqués (zones grisées). Les zones intégrées pour chaque élément monocristallin individuel sont indiquées par des cercles rouges. Cela a été effectué exactement au même emplacement de détecteur pour chaque pression de 21 à 50 GPa. L'évolution de la pression des trois pics est représentée en (c–e).

Comme le montre la figure 4a, lors de la compression à 10,6 GPa et 15,9 GPa, le grand décalage de pression typique du 002 et le petit décalage de pression de la majorité des autres réflexions sont observés. En même temps, la réflexion de 004 n'était plus facilement observable. Notez que les pressions indiquées sont la pression de départ lors de la collecte des données puisque la pression a augmenté pendant la collecte, à partir d'un GPa initial de 8,7 à 10,6 et de 14,3 à 15,9 GPa, respectivement. Suite à la prochaine augmentation de pression à \(\sim \) 21 GPa, un désordre structurel s'est produit et la structure de graphite hexagonal s'est dissoute au fil du temps (non illustré ici). Cela peut être cohérent avec les études antérieures de diffraction des rayons X qui constatent un élargissement significatif du pic à une pression similaire39 ou, après un temps d'attente de plus de 100 heures, l'apparition de nouvelles raies de diffraction40.

Une compression continue ultérieure à \(\sim \) 34 GPa a entraîné la nucléation d'une nouvelle structure cristalline qui a persisté jusqu'à la pression maximale de \(\sim \) 50 GPa sondée ici. Fait intéressant, cette phase cristalline à haute pression n'a pas nucléé sous forme de poudre aléatoire, mais sous forme de caractéristiques monocristallines diffuses hautement orientées. Ceci est clairement visible sur la vue 2D des deux bancs de détecteurs à la pression maximale de 50 GPa (voir Fig. 4b). D'autres ensembles de données de pression et des détails d'analyse sont disponibles dans le matériel supplémentaire. L'intégration des trois zones dans les cercles marqués, c'est-à-dire des caractéristiques monocristallines diffuses à différentes pressions, est illustrée sur les figures 4c, d. Les pics à \(\sim \) 1,24 Å et \(\sim \) 1,70 Å se déplacent clairement avec la pression, ce qui confirme qu'il s'agit de pics d'échantillon. Il n'est pas clair si le pic à \ (\ sim \) 1,91 Å se déplace dans la limite de résolution de SNAP, bien qu'un comportement très rigide puisse être attendu d'une phase de carbone hautement incompressible. Le nombre de pics observés est insuffisant pour une analyse structurale complète bien que la structure puisse encore être cohérente avec le M-carbon40 précédemment observé. D'autres études sont nécessaires pour obtenir un ensemble plus complet de pics de diffraction.

Il est à noter que la détection de ces caractéristiques monocristallines diffuses a très certainement été facilitée par notre utilisation de la diffraction des neutrons par faisceau blanc TOF, c'est-à-dire une technique de diffraction discriminante en énergie, couplée à des détecteurs de grande surface et à la grande ouverture de diffusion angulaire de nos CNA. Le fait qu'une structure extrêmement orientée se forme peut en effet contribuer à certaines des difficultés passées à détecter les polymorphes de graphite à haute pression dans les CNA à rayons X. Une analyse complète de nos résultats, y compris des approches multi-angulaires, et des expériences supplémentaires sont en cours et seront présentées une fois terminées. Néanmoins, il est clair que nos CNA à neutrons peuvent contribuer à une nouvelle compréhension des diagrammes de phase d'éléments légers tels que le carbone.

Les développements actuels des CNA à neutrons permettent pour la première fois une diffraction des neutrons au-dessus de 1 Mbar. Remarquablement, même à ces hautes pressions, la qualité des données reste suffisante pour un raffinement quantitatif de la structure, tout en conservant les informations de diffraction à résolution angulaire sur l'échantillon. Alors que les précédentes études d'évasion sur la glace ont atteint des pressions proches de 1 Mbar14,23, la qualité des données de ces études n'était pas d'une qualité cristallographique suffisante pour permettre l'affinement et donc aucune perspicacité scientifique n'a été acquise. Pourtant, la possibilité de raffinement est une condition préalable essentielle pour les travaux futurs qui nécessitent la détermination de positions atomiques détaillées et de la stoechiométrie telles que des études sur les hydrures métalliques, les nitrures superdurs, diverses glaces et bien d'autres. Cette capacité de diffraction quantitative des neutrons au mégabar est développée dans le cadre et le cadre d'une installation utilisatrice de neutrons. Il n'est pas seulement disponible pour quelques chercheurs sélectionnés, mais il est publié et disponible pour l'ensemble de la communauté. Ce développement ouvre ainsi de nombreuses nouvelles possibilités et opportunités pour une gamme de domaines scientifiques et peut aider à de nombreuses questions de recherche urgentes auxquelles les techniques de rayons X synchrotron ne peuvent pas répondre facilement.

En outre, il est utile de considérer ces enregistrements de pression et la réduction correspondante des volumes d'échantillon dans le contexte des développements passés pour la diffraction de poudre de rayons X in situ dans un DAC. La première diffraction des rayons X in situ a été réalisée en 197742 et 1 Mbar a été atteint peu de temps après en 19781. À la fin des années 80, il était possible de réaliser des expériences multi-mégabar43,44. Il a cependant fallu attendre les années 2010 pour réaliser des expériences à des pressions maximales de 6 Mbar10,11,12. En revanche, la diffraction neutronique affinable n'était disponible que jusqu'à \(\sim \) 3 GPa jusqu'au début des années 90. Le développement de la cellule Paris-Édimbourg (PE) pour la diffraction neutronique in situ a représenté une percée majeure qui a permis d'obtenir des données entièrement affinables à 10 GPa en 199245 et \(\sim \) 25 GPa en 199513. Le record actuel de données affinées mesurées dans la cellule PE s'élève à 40 GPa atteint en 201914. Des pressions plus élevées tout en maintenant des données affinables n'ont été atteintes que récemment dans les CNA à neutrons permettant des pressions de 52 GPa en 201328 et 62 GPa en 201929. Alors que d'autres études de CNA à neutrons ont également atteint des pressions comme élevé à 82 GPa21, les données n'ont pas été affinées.

Il est éclairant de comparer le volume d'échantillon par rapport à la pression maximale pour la diffraction des rayons X et des neutrons sur poudre, comme illustré à la Fig. 5. Comme on pouvait s'y attendre, les volumes d'échantillon requis pour la diffraction des neutrons à haute pression sont considérablement plus importants que ceux utilisés pour X- diffraction des rayons. Par exemple, les premières données affinables à 25 GPa pour la diffraction des neutrons ont nécessité près de 20 000 fois le volume d'échantillon utilisé lors de la première diffraction des rayons X synchrotron à des pressions similaires. La réduction du volume de l'échantillon avec l'augmentation de la pression a cependant été significativement plus prononcée pour la diffraction des neutrons. Pour la diffraction des rayons X synchrotron, l'augmentation de la pression de 25 GPa à 1 Mbar a nécessité un volume d'échantillon \(\sim \) 10 fois plus petit. En revanche, la même augmentation de pression pour la diffraction des neutrons a nécessité une diminution du volume d'échantillon d'un facteur de 3500. En conséquence, le volume d'échantillon dont nous avons besoin pour la diffraction des neutrons sur poudre à 1 Mbar n'est que \(\sim \) 5–6 fois le volume qui avait été utilisé pour la toute première expérience de diffraction des rayons X synchrotron à 1 Mbar.

Volumes d'échantillons en fonction de la pression maximale obtenue lors des développements de diffraction des neutrons à haute pression et des rayons X sur poudre. Pour les développements de diffraction de poudre de rayons X, seuls les CNA utilisant des joints sont ajoutés ici, pour les développements de diffraction de poudre de neutrons, les cellules PE et les CNA de neutrons (qui utilisent tous deux des joints) sont donnés. Des lignes indiquant la réduction de volume et les enregistrements de pression croissante sont ajoutées pour guider l'œil. Les volumes d'échantillons pendant le développement in situ par diffraction de poudre à haute pression sont tirés de la littérature, comme indiqué par des lettres minuscules : (a) premières données de poudre de neutrons raffinés à 10 GPa dans une cellule PE obtenues en 199245 ; (b) premières données de pression de cellule PE à 26 GPa obtenues en 199513 ; (c) record de pression de 40 GPa dans la cellule PE atteint en 201914 ; (d,e) données affinées obtenues dans un CNA à neutrons à 52 GPa et 62 GPa obtenus en 2013 et 2019, respectivement28,29 ; (f) la première diffraction in situ des rayons X à dispersion d'énergie réalisée jusqu'à 25 GPa en 197742; (g) les premières mesures de diffraction des rayons X in situ à 1 Mbar en 19781 ; (h,i) diffraction des rayons X in situ très précoce à 2 Mbar et 3 Mbar réalisée en 198843 et 199044 ; et (j,k) représentant les derniers records de 6 Mbar et 6,15 Mbar atteints en 201811,12, respectivement.

Clairement, les techniques modernes synchrotron et DAC à rayons X permettent maintenant de mesurer des volumes d'échantillons nettement plus petits à 1 Mbar que ces premières expériences. Pourtant, les sources de neutrons, l'instrumentation à neutrons et les CNA à neutrons continuent également d'être développés. Des progrès sont réalisés dans le flux global de neutrons et la luminosité dans de nouvelles installations telles que la source de spallation européenne ou la deuxième station cible de l'ORNL. Des progrès sont réalisés dans l'instrumentation en termes de guides de focalisation et de réduction du bruit de fond par collimation ainsi que des CNA neutroniques eux-mêmes. On s'attend donc à ce que les besoins en volume d'échantillon pour la diffraction des neutrons diminuent et continuent à se rapprocher de ceux qui sont (ou du moins ont été précédemment) utilisés pour la diffraction des rayons X synchrotron à des pressions de plusieurs mégabars.

Les CNA à neutrons mégabars présentés ici constituent une étape majeure vers l'ouverture de la diffraction des neutrons à des pressions similaires à celles régulièrement sondées par la diffraction des rayons X synchrotron. En développant et en libérant cette capacité, il devient désormais possible d'aborder des questions scientifiques qui nécessitent des informations complémentaires qui ne peuvent être fournies que par la diffraction des neutrons à une large communauté.

Quatre cellules de diamant différentes ont été préparées comme suit ci-dessous. La cellule 1 et la cellule 2 ont été chargées avec de la poudre de Ni (<150 µm, 99,999 % de base métallique, Sigma-Aldrich), la cellule 3 a été chargée avec du liquide D\(_2\)O (99,9 atome % D, Sigma-Aldrich) et la cellule 4 a été chargé avec de la poudre de graphite (graphite v598).

La cellule 1 a été préparée avec des sièges en carbure de tungstène et un collimateur en amont en nitrure de bore hexagonal avec un trou final percé à 400 µm de diamètre. La cellule était équipée d'enclumes CVD de Washington Diamond (WD Lab Grown Diamonds, Laurel, MD, USA) polies à une colette de 800 µm sans aucun biseautage. Un joint Re a été indenté à 80 µm et percé à 400 µm de diamètre. Le joint était équilibré sur de fines bagues en aluminium pour éviter les ventouses. Aucun milieu de transmission de pression n'a été utilisé. La cellule a explosé lors de l'augmentation de la pression à une charge appliquée de 5,13 tonnes.

La cellule 2 a été préparée avec des sièges en carbure de tungstène comprenant un collimateur en amont constitué de poudre de bore amorphe naturelle mélangée à de l'époxy avec un trou final percé à 250 µm de diamètre. La cellule était équipée d'enclumes CVD de WD polies à une colette de 600 µm avec un double biseau. Le joint AW a été indenté à 70 µm et percé à 300 µm de diamètre. Aucun milieu de transmission de pression n'a été utilisé. La cellule a explosé après avoir maintenu une charge appliquée de 5 tonnes pendant \(\sim \) 15 min.

La cellule 3 a été préparée avec des sièges en carbure de tungstène comprenant un collimateur en amont constitué de poudre de bore enrichie (\(^{10}\)B) mélangée à de l'époxy avec un trou de 2 mm de long percé à 250 µm de diamètre. La cellule a été équipée d'enclumes CVD d'Almax (Almax easyLab, Dixmude, Belgique) polies à une colette de 640 µm avec un biseau de 700 µm. Le joint AW a été indenté à 68 µm et percé à 295 µm de diamètre. Aucun milieu de transmission de pression n'a été utilisé.

La cellule 4 a été préparée avec des sièges en carbure de tungstène et un collimateur en amont constitué de poudre de bore enrichie (\(^{10}\)B) mélangée à de l'époxy avec un trou de 3 mm de long percé à 340 µm de diamètre. La cellule a été équipée d'un CVD de 5,5 \(\times \) 4,5 mm de WD poli en culot de 800 µm avec un biseau de 900 µm. Le joint AW a été indenté à 85 µm et percé à 370 µm de diamètre. Après avoir chargé l'échantillon et les billes de rubis pour la mesure de la pression, la cellule a été chargée de gaz avec Ar à l'aide du chargeur de gaz ORNL26. À une pression de gaz Ar de 2, 65 kbar, la cellule a été scellée à l'intérieur du chargeur de gaz, ce qui a donné une pression de départ de 0, 7 GPa selon la fluorescence rubis.

La diffraction des neutrons à haute pression a été réalisée sur le diffractomètre haute pression à temps de vol dédié de SNS, la ligne de lumière SNAP25. Les mesures ont été effectuées à l'aide de son guide de focalisation des neutrons et d'une longueur d'onde centrale de 2,1 Å à une vitesse de découpage de 60 Hz. Cela donne une bande passante de \(\sim \) 0,5–3,65 Å. Les détecteurs ont été placés aux positions centrales de \(2\theta = 65^{\circ }\) et \(2\theta = 105^{\circ }\) pour une couverture Q optimisée. L'instrument a été étalonné à l'aide d'une norme d'étalonnage pour donner des paramètres de réseau corrects, généralement isotopique \(^{11}\)NIST LaB\(_6\) enrichi en B ou poudre de diamant standard.

Les cellules en diamant ont été placées dans une presse hydraulique pour une compression en ligne27. L'alignement initial de la cellule sur la ligne de faisceau s'est produit via un laser d'alignement et via une optique focalisée sur la position de l'échantillon pour l'alignement le long du faisceau. L'alignement perpendiculaire au faisceau a été encore affiné en utilisant le faisceau de neutrons lui-même. Le temps de collecte à chaque pression était le suivant : 2,5 h pour Ni dans la cellule 1 (volume d'échantillon de 0,01 mm\(^3\) ); 5 h et 0,5 à 1 h pour les séries longues et courtes pour Ni dans la cellule 2 (volume d'échantillon de 0,005 mm\(^3\)), respectivement ; 0,33 h et 10 à 12 h pour les séries courtes et longues pour D\(_2\)O dans la cellule 3 (volume d'échantillon de 0,0046 mm\(^3\)), respectivement ; et 8 à 13 h pour le graphite dans la cellule 4 (0,001 mm \ (^ 3 \) volume de chambre de joint de départ).

Les données de diffraction résultantes ont été réduites à l'aide du cadre Mantid41 en utilisant l'étalonnage de l'instrument collecté. Comme typique pour toutes les données DAC, les pics d'enclume de diamant monocristallin ont été masqués sur le détecteur et supprimés des données de poudre.

Les données de Ni ont été calibrées, normalisées et corrigées en arrière-plan. Un ensemble de données sélectionné a ensuite été soumis à des corrections résultant de l'atténuation du diamant34. Dans ce cas, un raffinement Rietveld ultérieur a été effectué à l'aide de GSAS-II35. Pour plus de détails sur les subtilités de la procédure de réduction et d'analyse nécessaires à l'analyse cristallographique quantitative, reportez-vous au matériel supplémentaire.

Les données D\(_2\)O ont été réduites en utilisant dans Mantide les mêmes méthodes que pour nos précédents travaux D\(_2\)O29, à savoir l'étalonnage, la normalisation du vanadium, l'absorption et les corrections de fond, y compris celles pour l'atténuation du diamant.

Les données sur le graphite ont été réduites dans Mantide à l'aide de routines SNAP de base. La normalisation et la correction de fond ont été effectuées à l'aide de mesures d'instruments vides et d'une broche de vanadium. Des fonds supplémentaires ont été supprimés via un ajustement au fond expérimental restant dans Mantide et une soustraction de cet ajustement. L'outil de masquage des mantides a été utilisé pour extraire les intensités maximales des monocristaux à des pressions supérieures à \(\sim \) 30 GPa.

Toutes les données pertinentes sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Mao, HK, Bell, PM, Shaner, JW & Steinberg, DJ Mesures de volume spécifiques de Cu, Mo, Pd et Ag et étalonnage du manomètre à fluorescence ruby ​​R1 de 0,06 à 1 Mbar. J. Appl. Phys. 49, 3276 (1978).

Article ADS CAS Google Scholar

Boehler, R. Expériences à haute pression et diagramme de phase des matériaux du manteau inférieur et du noyau. Rév. Geophys. 38, 221 (2020).

Annonces d'article Google Scholar

Silvera, I. La transition isolant-métal dans l'hydrogène. Proc. Natl. Acad. Sci. 107, 12743 (2020).

Annonces d'article Google Scholar

Zerr, A. et al. Synthèse de nitrure de silicone cubique. Nature 400, 340 (1999).

Article ADS CAS Google Scholar

Boehler, cellules R. Diamond et nouveaux matériaux. Mater. Aujourd'hui 8, 34 (2005).

Article CAS Google Scholar

Dubrovinsky, L. et al. Synthèse de matériaux à des pressions statiques térapascales. Nature 605, 274 (2022).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Drozdov, AP, Eremets, MI, Troyan, IA, Ksenofontov, V. & Shylin, SI Supraconductivité conventionnelle à 203 Kelvin à haute pression dans le système d'hydrure de soufre. Nature 525, 73 (2015).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Somayazulu, M. et al. Preuve de la supraconductivité au-dessus de 260 K dans le superhydrure de lanthane à des pressions de mégabar. Phys. Rév. Lett. 122, 027001 (2019).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Kong, P. et al. Supraconductivité jusqu'à 243 K dans le système yttrium-hydrogène sous haute pression. Nat. Commun. 12, 5075 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dubrovinsky, L., Dubrovinskaia, N., Prakapenka, V. & Abakumov, A. Mise en œuvre d'enclumes de nanodiamant à microbilles pour des études à haute pression supérieures à 6 Mbar. Nat. Commun. 3, 1163 (2013).

Annonces d'article Google Scholar

Dewaele, A., Loubeyre, P., Occelli, F., Marie, M. & Mezouar, O. Cellule à enclume toroïdale en diamant pour des mesures détaillées sous des pressions statiques extrêmes. Nat. Commun. 9, 2913 (2018).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Jenei, Z. et al. Enclumes diamant toroïdales monocristallines pour des expériences à haute pression au-delà de 5 mégabars. Nat. Commun. 9, 3563 (2018).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Klotz, S. et al. Diffraction neutronique sur poudre à des pressions supérieures à 25 GPa. Appl. Phys. Lett. 66, 1735 (1995).

Article ADS CAS Google Scholar

Hattori, T. et al. Développement d'une technique de diffraction des neutrons à haute pression à 40 GPa avec une presse Paris-Edimbourg. Haute presse. Rés. 39, 417 (2019).

Article ADS CAS Google Scholar

Klotz, S., Casula, M., Komatsu, K., Machida, S. & Hattori, T. Structure à haute pression et propriétés électroniques de \({\rm ybd}_{2}\) à 34 GPa. Phys. Rév. B 100, 020101 (2019).

Article ADS CAS Google Scholar

Goncharenko, I. & Loubeyre, P. Étude par diffraction des neutrons et des rayons X de la transition de phase à symétrie brisée dans le deutérium solide. Nature 435, 1206 (2005).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Goncharenko, I. Étude par diffraction des neutrons et des rayons X de la transition de phase à symétrie brisée dans le deutérium solide. Haute presse. Rés. 24, 193 (2004).

Article ADS CAS Google Scholar

Yamashita, K. et al. Une cellule à enclume en diamant nano-polycristallin avec un cylindre en verre métallique massif pour la diffraction des neutrons monocristallins. Haute presse. Rés. 40, 88 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Yamashita, K. et al. Distribution atomique et structure locale dans la glace VII à partir de la diffraction neutronique in situ. Proc. Natl. Acad. Sci. 119, e2208717119 (2022).

Article CAS PubMed Google Scholar

Grzechnik, A., Meven, M. & Friese, K. Diffraction de neutrons monocristallins dans des cellules à enclume de diamant avec des neutrons chauds. J. Appl. Cristallologue. 51, 351 (2018).

Article CAS Google Scholar

Komatsu, K. et al. Développements de cellules à enclumes en diamant nano-polycristallin pour des expériences de diffraction de neutrons. Haute presse. Rés. 40, 184 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Kozlenko, D., Kichanov, S., Lukin, E. & Savenko, B. Le diffractomètre à neutrons DN-6 pour la recherche à haute pression à l'échelle d'un demi-mégabar. Cristaux 8, 331 (2018).

Article Google Scholar

Boehler, R. et al. Cellules diamant de grand volume pour la diffraction des neutrons au-dessus de 90 GPa. Haute presse. Rés. 33, 546 (2013).

Article ADS CAS Google Scholar

Boehler, R., Molaison, JJ & Haberl, B. Nouvelles cellules de diamant pour la diffraction des neutrons à l'aide d'enclumes CVD multi-carats. Rev. Sci. Instrument. 88, 083905 (2017).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Calder, S. et al. Un examen au niveau de la suite des instruments de diffraction de neutrons sur poudre au Laboratoire national d'Oak Ridge. Rev. Sci. Instrument. 89, 092701 (2018).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Haberl, B., Donnelly, M.-E., Molaison, JJ, Guthrie, M. & Boehler, R. Méthodes d'études de diffraction des neutrons sur les hydrures supraconducteurs et autres hydrures métalliques. J. Appl. Phys. 130, 215901 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Boehler, R., Haberl, B., Molaison, J. & Guthrie, M. Développement d'une cellule à enclume en diamant à grand volume pour la diffraction des neutrons : le projet de cellule à enclume en diamant à neutrons à l'ORNL. In Static and Dynamic High Pressure Mineral Physics (eds Fei, Y. & Walter, M.) (Cambridge University Press, Cambridge, 2022). ISBN 978-1-108-47975-2.

Guthrie, M. et al. Observations par diffraction neutronique des protons interstitiels dans la glace dense. Proc. Natl. Acad. Sci. 110, 10552 (2013).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Guthrie, M. et al. Structure et désordre dans la glace VII sur l'approche de la symétrisation des liaisons hydrogène. Phys. Rév. B 99, 184112 (2019).

Article ADS CAS Google Scholar

Dewaele, A., Torrent, M., Loubeyre, P. & Mezouar, M. Courbes de compression des métaux de transition dans la gamme mbar : expériences et calculs d'onde augmentée par projecteur. Phys. Rév. B 78, 104102 (2008).

Annonces d'article Google Scholar

Hemley, R. et al. Compression statique de H\(_2\)O-ice à 1,28 GPa (128 Mbar). Nature 330, 737 (1987).

Article ADS CAS Google Scholar

Pigott, J. et al. Équations d'état à haute pression et à haute température à l'aide d'échantillons nanofabriqués à double plaque chauffante Ni/SiO2/Ni à géométrie contrôlée. Géophys. Rés. Lett. 42, 10239 (2015).

Article ADS CAS Google Scholar

Mao, HK, Xu, J. & Bell, PM Étalonnage du manomètre à rubis à 800 kbar dans des conditions quasi-hydrostatiques. J. Geophys. Rés. Terre solide 91, 4673 (1986).

Article CAS Google Scholar

Guthrie, M. et al. Atténuation du rayonnement par des fenêtres en diamant monocristallin. J. Appl. Cristallologue. 50, 76 (2017).

Article CAS Google Scholar

Toby, BH & Von Dreele, RB GSAS-II : La genèse d'un progiciel moderne de cristallographie tout usage open-source. J. Appl. Cristallologue. 46, 544 (2013).

Article CAS Google Scholar

Hanfland, M., Syassen, K. & Sonnenschein, R. Réflectivité optique du graphite sous pression. Phys. Rév. B 40, 1951 (1989).

Article ADS CAS Google Scholar

Goncharov, A., Makarenko, I. & Stishov, S. Graphite à des pressions allant jusqu'à 55 GPa : propriétés optiques et diffusion Raman. Phys. JETP 69, 380 (1989).

Annonces Google Scholar

Utsumi, W. & Yagi, T. Phase transparente à la lumière formée par compression à température ambiante du graphite. Sciences 252, 1542 (1991).

Article ADS CAS Google Scholar

Mao, W. et al. Changements de liaison dans le graphite extra-dur comprimé. Sciences 302, 425 (2003).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, Y., Panzik, J., Kiefer, B. & Lee, K. Structure cristalline du graphite sous compression et décompression à température ambiante. Sci. Rep. 2, 520 (2011).

Article Google Scholar

Arnold, O. et al. Mantide—Progiciel d'analyse et de visualisation de données pour la diffusion de neutrons et les expériences \(\mu \)SR. Nucl. Instrument. Méthodes Phys. Rés. Secte. Un Accél. Spectre. Détecter. Assoc. Équiper. 764, 156 (2014).

Article ADS CAS Google Scholar

Buras, B., Olsen, JS, Gerward, L., Will, G. & Hinze, E. Diffractométrie à dispersion d'énergie des rayons X utilisant le rayonnement synchrotron. J. Appl. Cristallologue. 10, 431 (1977).

Article CAS Google Scholar

Vohra, YK, Duclos, SJ, Brister, KE & Ruoff, AL Pression statique de 255 GPa (2,55 Mbar) par diffraction des rayons X : comparaison avec l'extrapolation de l'échelle de pression rubis. Phys. Rév. Lett. 61, 574 (1988).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Mao, HK, Wu, Y., Chen, LC, Shu, JF & Jephcoat, AP Compression statique du fer à 300 GPa et de l'alliage Fe0.8Ni0.2 à 260 GPa : Implications pour la composition du noyau. J. Geophys. Rés. Terre solide 95, 21737 (1990).

Besson, JM et al. Équation d'état du deutérure de lithium à partir de la diffraction des neutrons sous haute pression. Phys. Rev. B 45, 2613 (1992).

Article ADS CAS Google Scholar

Télécharger les références

Les auteurs remercient Jamie J. Molaison et Antonio M. dos Santos (tous deux de l'ORNL) pour leur aide à la mise en place de la ligne de lumière SNAP. Ce travail a été parrainé par le programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire du laboratoire national d'Oak Ridge géré par UT-Battelle, LLC, pour le département américain de l'énergie. Cette recherche a utilisé les ressources de la Spallation Neutron Source, une installation des utilisateurs du Bureau des sciences du DOE gérée par le Laboratoire national d'Oak Ridge.

Ce manuscrit a été rédigé par UT-Battelle, LLC sous le contrat n° DE-AC05-00OR22725 avec le US Department of Energy. Le gouvernement des États-Unis conserve et l'éditeur, en acceptant l'article pour publication, reconnaît que le gouvernement des États-Unis conserve une licence mondiale non exclusive, payée, irrévocable pour publier ou reproduire la forme publiée de ce manuscrit, ou permettre à d'autres de le faire, pour les besoins du gouvernement des États-Unis. Le ministère de l'Énergie fournira un accès public à ces résultats de recherche parrainés par le gouvernement fédéral conformément au plan d'accès public du DOE (http://energy.gov/downloads/doe-public-access-plan).

Division de la diffusion des neutrons, Direction des sciences des neutrons, Laboratoire national d'Oak Ridge, Oak Ridge, TN, 37830, États-Unis

Bianca Haberl, Malcolm Guthrie et Reinhard Boehler

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

RB et BH ont conçu l'étude. RB a conçu et préparé les cellules en diamant, BH a dirigé les expériences et fourni le contexte des expériences précédentes de diffraction des neutrons et des rayons X, MG a dirigé l'analyse rigoureuse des données. Tous les auteurs ont discuté des résultats et rédigé le manuscrit.

Correspondance avec Bianca Haberl.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur n'importe quel support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournir un lien vers la licence Creative Commons et indiquer si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Haberl, B., Guthrie, M. & Boehler, R. Diffraction neutronique avancée pour une mesure structurelle précise des éléments légers à des pressions de mégabar. Sci Rep 13, 4741 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31295-3

Télécharger la citation

Reçu : 08 novembre 2022

Accepté : 09 mars 2023

Publié: 23 mars 2023

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

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.