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超高压下物质磁性检测方法的研究

胡天立  
【摘要】:研究物质在高压下的性质受到了非常广泛的关注,压力能够作用于物质的晶体结构,进而影响物质的性质,这已经在相关实验中被大量地观测到。金刚石对顶砧(DAC)技术的出现和不断进步,对近几十年来高压物理学的发展具有重要意义。自从1950年DAC技术第一次被应用到高压实验中以来,静态压强成为了除温度以外的又一个能够在实验室中实现简单且安全调控的物理参量,金刚石对顶砧压机也为研究人员提供了一种有效、可靠的在所要观测的样品上获得极高的静态压强的手段。这一技术经历了几十年的发展,已经逐步完善。在压力不断突破新记录的同时,DAC结合了其他技术,各种高压下物理量的原位探测手段不断涌现,极大地扩展了高压物理学的研究领域。 对物质磁性的研究,直接关系到物质结构的基本研究。磁性不仅是一个宏观的物理量,更与原子结构、晶体结构等物质微观结构密切相关,因此,研究磁性也是研究物质内部结构的重要途径之一。而测量压力对样品磁性的影响,能够使我们对其有更直观深入的认识,通过实验验证现有理论,甚至预测在实验室还不能达到的条件下的新现象。不仅仅是高压物理,包括地质学、材料学等相关学科在内,都已经有许多侧重于理论方面的工作对压力作用下磁性的规律做出了预测,也有大量的实验通过间接的观测手段对相关的理论工作进行验证和分析。 可以肯定的是,相关测量技术的发展和应用必将推动高压物理学研究手段和研究领域的拓展,对于相关学科的工作也将具有非常重要的帮助。自从1980年Vodar B等人首次在DAC上进行了磁化率等参数的测量之后,基于DAC的磁测量技术发展较快,若干个实验室已经对这一方向进行了探索,总结出了相关的技术并且研发出了对应的实验设备及方法。例如美国的海军实验室(Naval ResearchLaboratory)测定了不同压力下超导转变温度的变化规律。中科院物理所和华盛顿卡内基研究所地球物理实验室和高压研究中心也发展出了各自的高压下的电磁感应技术,并且开展了材料磁性相关的实验。 但是,之前的高压磁性实验大多选取温度作为实验中的变量。通过绘制在不同压力下物质磁性随温度变化的图像的方法,讨论压力对物质磁性的影响,在恒温状态下测量压力对物质磁性影响的试验则鲜有提及。为了实现更直接的测量,通过对前人的工作进行总结改进,我们设计出了一套新的测试系统和方法,初步实现了在温度恒定的条件下(室温)直接对压力作用下物质磁信号变化的观测。新的系统简化了传统的测量过程,可以方便地兼容现有的其它测量手段,数据更加直观。并且成功地在室温下观测到了Fe样品在压力作用下发生了磁性相变。 Fe在压力下的磁性能和各种相变之间的关系之间的理论研究已经进行的很深入了。众所周知,Fe在压力的作用下会由铁磁的bcc相转变为非铁磁的hcp相。室温条件下, Fe的这个相变公认发生在13GPa附近。 我们利用本文中所描述并搭建的磁性测量系统对这一相变过程中Fe样品的磁信号变化进行了观测。观测数据表明:系统成功地克服了在压力增加时DAC部件的运动造成的由涡流信号和磁信号共同构成的背景噪声改变对测量造成的影响;在不同的几次对比实验中,当压力接近13GPa时,均观察到信号发生了改变、样品腔内物质的磁导率出现了衰减,且随着压力增加,这一变化也随之变得更加明显。这些都表明铁在由bcc相向hcp相转变的过程中,确实发生了由铁磁性向非铁磁性的转变,这与之前的理论预测是一致的。 但由于本文中所介绍的测量系统只搭建了用于验证功能和可靠性的原型机,其加工工艺和屏蔽措施都有很大的改进空间,在未来的工作还需要整合压力标定系统和磁性测量系统,进一步提高该系统的可靠性、优化实验步骤、减少人为误差;设计并增加电磁屏蔽措施提高探头的抗干扰能力;降低系统的制作成本、减小设备体积并最终实现高压磁测量手段的设备化和模块化等方法进一步提高系统性能,使其在科研工作最大程度地发挥其应有的作用。


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