Ett team på HZB har utvecklat en ny mätmetod som för första gången noggrant detekterar små temperaturskillnader i intervallet 100 mikrokelvin i den termiska Hall-effekten. Tidigare kunde dessa temperaturskillnader inte mätas kvantitativt på grund av termiskt brus.
Deras studie publiceras i Materials &Design .
Med det välkända terbiumtitanatet som exempel visade teamet att metoden ger mycket tillförlitliga resultat. Den termiska Hall-effekten ger information om koherenta multipartikeltillstånd i kvantmaterial baserat på deras interaktion med gittervibrationer (fononer).
Kvantfysikens lagar gäller för alla material. Dessa lagar ger dock upphov till särskilt ovanliga egenskaper hos så kallade kvantmaterial. Till exempel kan magnetfält eller temperaturförändringar orsaka excitationer, kollektiva tillstånd eller kvasipartiklar som åtföljs av fasövergångar till exotiska tillstånd.
Detta kan användas på en mängd olika sätt, förutsatt att det kan förstås, hanteras och kontrolleras. Till exempel, i framtiden, informationsteknik som kan lagra eller bearbeta data med minimalt energibehov.
Den termiska Hall-effekten (THE) spelar en nyckelroll för att identifiera exotiska tillstånd i kondenserad materia. Effekten är baserad på små tvärgående temperaturskillnader som uppstår när en termisk ström passerar genom ett prov och ett vinkelrätt magnetfält appliceras.
Speciellt tillåter den kvantitativa mätningen av den termiska Hall-effekten oss att skilja de exotiska excitationerna från konventionellt beteende. Den termiska Hall-effekten observeras i en mängd olika material, inklusive spinnvätskor, spin-is, moderfaser för högtemperatursupraledare och material med starkt polära egenskaper.
De termiska skillnaderna som uppstår vinkelrätt mot temperaturgradienten i provet är dock extremt små:i typiska millimeterstora prover ligger de i intervallet mikrokelvin till millikelvin. Hittills har det varit svårt att upptäcka dessa värmeskillnader experimentellt eftersom värmen som introduceras av mätelektroniken och sensorerna maskerar effekten.
En ny provhållare
Teamet ledd av PD Dr Klaus Habicht har nu utfört banbrytande arbete. Tillsammans med specialister från HZB-provmiljön har de utvecklat en ny provstav med en modulär struktur som kan sättas in i olika kryomagneter. Provhuvudet mäter den termiska Hall-effekten med hjälp av kapacitiv termometri.
Detta drar fördel av temperaturberoendet av kapacitansen hos specialtillverkade miniatyrkondensatorer. Med denna inställning har experterna lyckats minska värmeöverföringen avsevärt genom sensorer och elektronik och att dämpa störsignaler och brus med flera innovationer.
För att validera mätmetoden analyserade de ett prov av terbiumtitanat, vars värmeledningsförmåga i olika kristallriktningar under ett magnetfält är välkänd. De uppmätta data överensstämde utmärkt med litteraturen.
"Förmågan att lösa temperaturskillnader i sub-millikelvin-området fascinerar mig mycket och är en nyckel till att studera kvantmaterial mer i detalj", säger första författaren Dr Danny Kojda. "Vi har nu tillsammans utvecklat en sofistikerad experimentell design, tydliga mätprotokoll och exakta analysprocedurer som tillåter högupplösta och reproducerbara mätningar."
Avdelningschef Klaus Habicht tillägger:"Vårt arbete ger också information om hur man ytterligare kan förbättra upplösningen i framtida instrument utformade för låga provtemperaturer. Jag skulle vilja tacka alla inblandade, särskilt provmiljöteamet. Jag hoppas att experimentupplägget kommer att vara ordentligt integreras i HZB-infrastrukturen och att de föreslagna uppgraderingarna kommer att implementeras."
Habichts grupp kommer nu att använda mätningar av den termiska Hall-effekten för att undersöka de topologiska egenskaperna hos gittervibrationer eller fononer i kvantmaterial.
"De mikroskopiska mekanismerna och fysiken i spridningsprocesserna för den termiska Hall-effekten i jonkristaller är långt ifrån helt klarlagda. Den spännande frågan är varför elektriskt neutrala kvasipartiklar i icke-magnetiska isolatorer ändå avböjs i magnetfältet", säger Habicht . Med det nya instrumentet har teamet nu skapat förutsättningar för att svara på denna fråga.
Mer information: Danny Kojda et al., Avancera precisionen i termiska hallmätningar för forskning om nya material, Materials &Design (2023). DOI:10.1016/j.matdes.2023.112595
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
